UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Mecânica
ELVIS BERTOTI
Caracterização Dinâmica de uma Bancada
Dinamométrica Veicular de Rolos Duplos
CAMPINAS
ELVIS BERTOTI
Caracterização Dinâmica de uma Bancada
Dinamométrica Veicular de Rolos Duplos
Dissertação de Mestrado apresentada à Facul-dade de Engenharia Mecânica da UniversiFacul-dade Estadual de Campinas como parte dos requisi-tos exigidos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica, na Área de Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico.
Orientadora: Prof.a Dr.a Ludmila Corrêa de Alkmin e Silva
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELO ALUNO ELVIS BERTOTI, E ORIENTADA PELA PROFª. DRª. LUDMILA CORRÊA DE ALKMIN E SILVA.
CAMPINAS
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
COMISSÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA
MECÂNICA
DEPARTAMENTO DE SISTEMAS INTEGRADOS
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO ACADÊMICO
Caracterização Dinâmica de uma Bancada
Dinamométrica Veicular de Rolos Duplos
Autor: Elvis Bertoti
Orientadora: Prof.a Dr.a Ludmila Corrêa de Alkmin e Silva
A Banca Examinadora composta pelos membros abaixo aprovou esta Dissertação:
Prof.a Dr.a Ludmila Corrêa de Alkmin e Silva
Universidade Estadual de Campinas Prof. Dr. Gregory Bregion Daniel Universidade Estadual de Campinas Prof. Dr. Ilmar Ferreira Santos
Technical University of Denmark
A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no proces-so de vida acadêmica do aluno.
Agradecimentos
Meus primeiros agradecimentos vão a meus queridos e amados pais, Imeli Inelda Bertoti e Silvio Antonio Bertoti, a quem devo todas as minhas conquistas e tudo o que sou hoje. Obrigado pelo exemplo de humildade, de perseverança e de dedicação e por me incentivarem desde cedo a seguir o caminho recompensador dos livros e dos estudos.
Tenho muito, também, a agradecer à minha namorada, Fernanda Carretta, pe-lo companheirismo em nossa mudança para Campinas, pepe-lo suporte emocional nos momentos em que tudo parecia estar dando errado com os experimentos e, ainda, por compreender minha ausência, principalmente quando da reta final da entrega da dissertação. Espero poder te retribuir muito em breve tudo o que fez por mim nestes dois anos juntos.
À minha orientadora, Prof.ª Ludmila Corrêa de Alkmin e Silva, minha eterna gratidão, não somente pela transmissão de conhecimento e por iluminar o caminho em todos os momento difíceis ao longo do desenvolvimento do projeto, mas, tam-bém, pela paciência, pela confiança depositada em meu trabalho, e, acima de tudo, pela amizade quase fraternal formada nestes dois anos. Fiquei lisonjeado pelo seu esforço em acompanhar minha defesa, mesmo com poucos dias do nascimento da Aninha. Que ela possa te trazer muitos sorrisos e alegrias nessa nova fase como mãe!
Agradeço, ainda, a todos os colegas do Laboratório de Sistemas Integrados da Unicamp, em especial ao Jony Eckert, ao Fabrício Silva, ao Fabio Santiciolli e ao Ro-drigo Yamashita pela grande parceria nos diversos projetos, artigos e testes que pro-duzimos juntos. Ao Prof. Franco Giuseppe Dedini por ter me dado a oportunidade de ser ouvido na entrevista de admissão há dois anos e meio, bem como por promo-ver um ambiente plural, multidisciplinar, descontraído e de grande união no labora-tório. Vou sentir saudades, ao menos por ora, dos almoços e bate-papos. Obrigado, LabSIn pelo acolhimento que nos deram!
Aos técnicos Rosangelo Ferreira e Mauro Romera pelo enorme auxílio no de-senvolvimento, confecção e montagem dos circuitos de aquisição do dinamômetro, área com que até o início do presente trabalho tive pouco contato e sobre a qual pude aprender muito com vocês. Ao técnico Maurício de Sant’Anna pelas muitas e cons-tantes ajudas com a bancada e, também, ao técnico Geraldo Salustiano pela fabrica-ção dos discos de encoder.
Aos professores da banca de qualificação e de defesa, Prof. Gregory Bregion Daniel e Prof. Ilmar Ferreira Santos, por todas as contribuições e pelas conversas sin-ceras e construtivas ao longo dos exames.
Aos meus amigos Bernardo Mendonça, Cássio Barbosa, Eduardo Godarth, Fe-lipe Frank e Vitor Serenato pelos agora 14 anos de uma amizade que se prova resistir independentemente da distância. Espero, logo, poder comemorar mais esta vitória junto com vocês!
A todos os professores que de alguma forma fizeram parte desta caminhada, em especial, aos professores da UTFPR, Geraldo Augusto Pinto, José Aguiomar Fog-giatto, Márcio Henrique de Avelar Gomes, Marco Antônio Luersen e Silvio Luiz de Mello Junqueira pelas longas conversas de corredor, pela amizade ao longo e depois da graduação, pelo incentivo que recebi para continuar minha jornada acadêmica na Unicamp e, sobretudo, pela fonte de inspiração como brilhantes pesquisadores que são.
Por fim, agradeço à Universidade Estadual de Campinas e toda a comunidade da Faculdade de Engenharia Mecânica pela excelente estrutura fornecida para o de-senvolvimento de pesquisas e à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Ní-vel Superior (CAPES) pelo auxílio financeiro provido ao longo dos dois anos de de-senvolvimento deste projeto.
Estude muito o que mais lhe interessa da maneira mais indisciplinada, irreverente e original possível.
Resumo
BERTOTI, Elvis. Caracterização Dinâmica de uma Bancada Dinamométrica Veicular de Rolos Duplos. 2018. 189p. Dissertação de Mestrado. Faculdade de Engenharia Me-cânica, Universidade Estadual de Campinas, Campinas.
Com o aumento significativo da complexidade dos sistemas de controle utili-zados pela indústria automotiva e devido aos prazos cada vez mais curtos para a im-plementação de novos projetos, intensificou-se a demanda pela realização de ensaios e validações em estágios cada vez mais precoces do desenvolvimento de diversos subsistemas veiculares. No âmbito do trem de potência, a bancada dinamométrica de rolos, que em sua origem era empregada em ensaios estacionários de mapeamento de consumo e potência, atualmente opera como uma plataforma mecatrônica de de-senvolvimento capaz de emular por meio de atuadores os mais diversos cenários a que o veículo seria submetido quando de sua aplicação em pista, preservando-se, contudo, a repetibilidade inerente ao ambiente controlado de laboratório.
Neste sentido, o presente trabalho tem por objetivo a caracterização dinâmica da bancada dinamométrica de rolos duplos do Laboratório de Sistemas Integrados da Unicamp com o intuito de se aplicar o modelo identificado na geração de obser-vadores de torque mais adequados ao emprego de malhas de controle retroalimenta-das. A fim de se cumprir este objetivo, algumas etapas intermediárias precisaram ser cumpridas: primeiramente, devido a alterações da configuração mecânica do dina-mômetro e visando-se melhorar sua flexibilidade quanto a novas modificações, o sis-tema de aquisição e de comunicação da bancada precisou ser reformulado; além dis-so, uma nova interface homem-máquina foi gerada com o objetivo de facilitar a ope-ração da bancada por meio de um esquema de processamento e armazenamento de dados automatizado.
Por fim, foi desenvolvido um modelo dinâmico não-linear contendo quatro graus de liberdade e 16 parâmetros, os quais, com auxílio do novo sistema de aquisi-ção e da interface de operaaquisi-ção, puderam ser caracterizados. Para tal, foram aplicadas técnicas de ajuste de modelos a partir dos sinais obtidos por meio de dois torquíme-tros de flange e de quatro encoders ópticos, um para cada elemento de inércia. Das otimizações obteve-se um modelo mais fiel aos fenômenos dinâmicos encontrados nos sinais extraídos do dinamômetro, com boa precisão inclusive em ensaios transi-entes.
Palavras-Chave: Dinamômetro de Rolos Duplos, Dinâmica Veicular Longitudinal,
Abstract
BERTOTI, Elvis. Dynamic Characterization of a Twin-Roller Chassis Dynamometer. 2018. 189p. Master Thesis. School of Mechanical Engineering, University of Campi-nas, Campinas.
Given the significant increase in the complexity of the control systems em-ployed by the automotive industry and the shortening of the deadlines for the im-plementation of new projects, the demand for testing and validating a wide range of vehicular subsystems at ever earlier stages of their development has been intensified. In the field of vehicle powertrains, the roller chassis dynamometer, which in its origin was employed in stationary mapping of fuel consumption and power outputs, nowadays works as a mechatronic development platform capable of emulating by means of its actuators the most different driving scenarios to which the vehicle would be submitted when employed on the road, maintaining, however, the repeat-ability inherent to the controlled environment of a laboratory.
In this regard, the main goal of the present work is to perform the dynamic characterization of the twin-roller chassis dynamometer of the Laboratory for Inte-grated Systems of Unicamp, with the goal of putting forth the identified model as a more reliable torque observer for control loops provided with feedback components. In order to achieve this objective, some intermediary steps must be performed: first-ly, because of modifications in the mechanical layout of the test bed and aiming to increase its versatility to new adjustments, its acquisition and communication system must be reformulated; secondly, a human-machine interface had to be developed in order to systematize the operation of the test bed by means of an automated platform for processing and logging of sensor data.
Finally, a nonlinear dynamic model with four degrees of freedom was devel-oped, from which 16 parameters could be characterized with the help of the new ac-quisition system and of the operation interface. For this purpose, techniques for model identification were employed, approximating the model to the signals gath-ered by means of two flange-type torque sensors and four optic encoders, each con-nected to one of the inertia elements. From the optimization processes, a more relia-ble model was obtained, which is now more caparelia-ble of representing the dynamic phenomena encountered in the signals extracted from the test bench, even for transi-ent tests.
Keywords: Twin-Roller Chassis Dynamometer, Vehicle Longitudinal Dynamics,
Lista de Ilustrações
Figura 1.1 – Modelo esquemático do Freio de Prony. ... 32
Figura 1.2 – Síntese sobre a complexidade e sobre o tempo destinado ao desenvolvimento de diversas tecnologias para trens de potência automotivo nas últimas décadas.. ... 33
Figura 1.3 – Exemplo de bancada dinamométrica do tipo EiL. ... 35
Figura 2.1 – Definição dos movimentos de translação e rotação do veículo. ... 37
Figura 2.2 – Coeficientes de pressão traçados normais à superfície do veículo. ... 39
Figura 2.3 – Mecanismo simplificado de formação do fenômeno de resistência ao rolamento ... 40
Figura 2.4 – Distribuição de pressão no contato pneu-pista para uma roda radial sem torques a 60 km/h ... 41
Figura 2.5 – Valores típicos para o coeficiente de resistência ao rolamento em pneus radiais para veículos de pequeno porte. A primeira letra se refere à velocidade máxima suportada pelo pneu; M+S se referem a pneus para lama ou neve ... 42
Figura 2.6 – Diagrama de corpo livre para o chassi do veículo. ... 44
Figura 2.7 – Diagrama de corpo livre para as rodas do veículo quando estas rolam sobre a pista. ... 44
Figura 3.1 – Bancada Dinamométrica para MCIs Diesel de pequeno porte ... 50
Figura 3.2 – Exemplos de bancada de testes de agregados do trem de potência. ... 51
Figura 3.3 – Fluxograma simplificado para testes de xCUs do tipo HiL ... 52
Figura 3.4 – Bancada dinamométrica de quatro eixos para avaliação de um trem de potência com tração nas quatro rodas. ... 54
Figura 3.5 – Dinamômetro de Chassi para tração nas quatro rodas e análise de emissões ... 55
Figura 3.6 – Exemplo de aparatos necessários em uma bancada dinamométrica de motores para ensaios de emissão (Diesel) ... 56
Figura 3.7 - Componentes testados e simulados para cada tipo de bancada. ... 57
Figura 3.8 – Dinamômetro hidráulico... 60
Figura 3.9 – Dinamômetros hidráulico e hidrostático. ... 61
Figura 3.11 – Princípio de Funcionamento do freio de correntes de Foucault ... 62
Figura 3.12 – Envelope de operação de atuadores para dinamômetros ... 64
Figura 4.1 – Fotografia de 1895 mostrando o novo laboratório de ensaios de locomotivas da universidade de Purdue, recunstruído após o incêndio ocorrido no ano anterior ... 67
Figura 4.2 – Detalhes da bancada dinamométrica para locomotivas da Universidade de Purdue... 68
Figura 4.3 – Razão entre as forças de resistência ao rolamento sobre o rolo e sobre a pista em função da razão entre os raios do pneu e do rolo. ... 71
Figura 4.4 – Configurações típicas dos dinamômetros de chassi automotivos ... 72
Figura 4.5 – Esquema do apoio do pneu sobre os rolos de uma bancada dinamométrica de rolos duplos.. ... 73
Figura 4.6 – Forças atuando sobre um pneu rolando sobre um cilindro ... 74
Figura 5.1 – Configuração original da bancada dinamométrica de chassi do LabSIn. ... 77
Figura 5.2 – Imagens da nova configuração do dinamômetro de chassi do LabSIn. ... 77
Figura 5.3 – Esquema da configuração da bancada dinamométrica do LabSIn. ... 78
Figura 5.4 – Deformação dos pneus do eixo dianteiro do veículo sobre os rolos da bancada dinamométrica de rolos duplos. ... 80
Figura 5.5 – Diagrama de corpo livre para os pneus do eixo dianteiro do veículo. ... 81
Figura 5.6 – Diagrama de corpo livre para rolos do eixo dianteiro da bancada dinamométrica. ... 81
Figura 5.7 – Desenho esquemático do sistema de aquisição de dados da bancada dinamométrica do LabSIn. ... 87
Figura 5.8 – Fluxograma simplificado da IHM em LabVIEW. ... 89
Figura 5.9 – Painel da IHM exibido ao operador do dinamômetro. ... 91
Figura 5.10 - Painel da IHM exibido ao motorista. ... 93
Figura 5.11 – Esquema do controlador empregado na IHM. ... 94
Figura 5.13 – Curvas de torque obtidas no torquímetro de flange da linha de transmissão durante a execussão dos testes, comparadas com a curva esperada. ... 96 Figura 5.14 – Detalhe das curvas de torque obtidas no torquímetro de flange da
linha de transmissão durante a execussão dos testes, comparadas com a curva esperada. ... 96 Figura 6.1 – Comportamento de “Zona Morta” nos sinais de torque
possivelmente decorrentes da folga presente no trem de transmissão de potência dos atuadores da bancada ... 100 Figura 6.2 – Modelo dinâmico que representa o ramo conectado ao FCF. ... 101 Figura 6.3 - Modelo dinâmico que representa o ramo conectado ao MI. ... 101 Figura 6.4 – Subdivisão dos componentes que representam cada elemento de
inércia no modelo de 4 graus de liberdade. ... 102 Figura 6.5 – Modelo de folga do tipo Zona Morta sem Amortecimento para cada
ramo da bancada ... 104 Figura 6.6 – Comportamento do modelo empregado para emular atrito seco
para o caso do elemento de inércia que representa os rolos acoplados ao sistema de frenagem (ramo dianteiro) ... 106 Figura 6.7 - Modelo dinâmico desacoplado para a linha de transmissão do FCF. .... 106 Figura 6.8 - Modelo dinâmico desacoplado para a linha de transmissão do MI. ... 107 Figura 6.9 – Desenho esquemático para o novo conjunto de sensores instalado
no dinamômetro. ... 108 Figura 6.10 – Novo encoder instalado no eixo do FCF. ... 109 Figura 6.11 – Circuito condicionador para os quatro sinais de encoder óptico da
bancada e para os dois encoders indutivos presentes no veículo. ... 110 Figura 6.12 – Implementação do modelo generalizado em Simulink. ... 111 Figura 6.13 – Fluxograma do algoritmo empregado para o cálculo da função
objetivo. ... 112 Figura 6.14 – Perfil de velocidades obtido na execução do Experimento A para o
subsistema referente aos rolos acoplados ao ramo do motor (DDfr). ... 114 Figura 6.15 – Sinal aferido pelo torquímetro obtido na execução do
Experimento A para o subsistema referente aos rolos acoplados ao ramo do motor (DDfr). ... 114
Figura 6.16 – Perfil de velocidades obtido na execução do Experimento B para o subsistema referente aos rolos aocplado ao ramo do motor (DDfr). ... 115 Figura 6.17 – Sinal aferido pelo torquímetro obtido na execução do
Experimento B para o subsistema referente aos rolos acoplados ao ramo do motor (DDfr). ... 115 Figura 6.18 – Configuração da bancada na identificação dos parâmetros do
elemento de inércia referente aos rolos acoplados ao ramo do motor (DDfr)... 116 Figura 6.19 – Comparação entre o sinal de velocidade obtido na execução do
Experimento A e o perfil de velocidade simulado empregando os parâmetros que minimizam o RMSE para o elemento DDfr. ... 118 Figura 6.20 – Comparação entre o sinal de velocidade obtido na execução do
Experimento B e o perfil de velocidade simulado empregando os parâmetros que minimizam o RMSE para o elemento DDfr. ... 118 Figura 6.21 – Configuração da bancada na identificação dos parâmetros do
elemento de inércia referente aos rolos acoplados ao ramo do freio (DDff). ... 119 Figura 6.22 – Velocidade angular aferida pelo encoder óptico conectado ao
elemento de inércia referente ao par de rolos do ramo do MI (DDfr) durante a execução do Experimento A. ... 120 Figura 6.23 – Torque lido pelo torquímetro de flange que conecta o elemento de
inércia do MI ao par de rolos do mesmo ramo (DMSfr) durante a execução do Experimento A. ... 120 Figura 6.24 – Torque inferido transmitido pela corrente entre os ramos traseiro e
dianteiro do eixo dianteiro da bancada no Experimento A. ... 121 Figura 6.25 – Velocidade angular aferida pelo encoder óptico conectado ao
elemento de inércia referente ao par de rolos do ramo do MI (DDfr) durante a execução do Experimento B. ... 121 Figura 6.26 – Torque lido pelo torquímetro de flange que conecta o elemento de
inércia do MI ao par de rolos do mesmo ramo (DMSfr) durante a execução do Experimento B. ... 122 Figura 6.27 – Torque inferido transmitido pela corrente entre os ramos traseiro e
dianteiro do eixo dianteiro da bancada no Experimento B. ... 122 Figura 6.28 – Comparação entre o sinal de velocidade obtido na execução do
Experimento A e o perfil de velocidade simulado empregando os parâmetros que minimizam o RMSE para o elemento DDff. ... 123
Figura 6.29 – Comparação entre o sinal de velocidade obtido na execução do Experimento B e o perfil de velocidade simulado empregando os parâmetros que minimizam o RMSE para o elemento DDff. ... 124 Figura 6.30 - Configuração da bancada na identificação dos parâmetros do
elemento de inércia referente à linha de transmissão do FCF (BSff). .. 124 Figura 6.31 – Comparação entre o sinal de velocidade obtido na execução do
Experimento A e o perfil de velocidade simulado empregando os parâmetros que minimizam o RMSE para o elemento BSff. ... 126 Figura 6.32 – Comparação entre o sinal de velocidade obtido na execução do
Experimento B e o perfil de velocidade simulado empregando os parâmetros que minimizam o RMSE para o elemento BSff. ... 126 Figura 6.33 – Configuração da bancada na identificação dos parâmetros do
elemento de inércia referente à linha de transmissão do MI (MSfr). ... 127 Figura 6.34 – Comparação entre o sinal de velocidade obtido na execução do
Experimento A e o perfil de velocidade simulado empregando os parâmetros que minimizam o RMSE para o elemento MSfr... 128 Figura 6.35 – Comparação entre o sinal de velocidade obtido na execução do
Experimento B e o perfil de velocidade simulado empregando os parâmetros que minimizam o RMSE para o elemento MSfr... 128 Figura 6.36 – Validação dos parâmetros obtidos para o elemento DDfr por meio
dos Experimentos A e B na simulação do Experimento C. ... 130 Figura 6.37 – Validação dos parâmetros obtidos para o elemento DDff por meio
dos Experimentos A e B na simulação do Experimento C. ... 132 Figura 6.38 – Validação dos parâmetros obtidos para o elemento BSff por meio
dos Experimentos A e B na simulação do Experimento C. ... 133 Figura 6.39 – Validação dos parâmetros obtidos para o elemento MSfr por meio
dos Experimentos A e B na simulação do Experimento C. ... 135 Figura 6.40 – Modelo generalizado adotado na identificação do elemento de
folga tipo “Zona Morta” para os acoplamentos. ... 136 Figura 6.41 – Configuração da bancada na identificação dos parâmetros do
elemento de acoplamento referente ao ramo conectado ao MI (DMSfr)... 138 Figura 6.42 – Perfil de velocidades executado ao longo do experimento de
identificação de parâmetros referentes ao elemento de acoplamento contido no ramo do motor (DMSfr). ... 138
Figura 6.43 – Deslocamento angular relativo entre os elementos de inércia do ramo do motor (DMSfr) ao longo da execução do ensaio. ... 139 Figura 6.44 – Torque aferido no torquímetro do ramo do motor (DMSfr) ao
longo da execução do ensaio. ... 139 Figura 6.45 – Modelo de folga obtido por meio das otimizações para o elemento
de folga do ramo do motor (DMSfr) em contraste com o histograma bivariado das amostras aferidas para as variáveis de deslocamento angular relativo e torque. ... 141 Figura 6.46 – Configuração da bancada na identificação dos parâmetros do
elemento de acoplamento referente ao ramo conectado ao FCF (DBSff). ... 142 Figura 6.47 – Perfil de velocidades executado ao longo do experimento de
identificação de parâmetros referentes ao elemento de acoplamento contido no ramo do freio (DBSff). ... 142 Figura 6.48 – Deslocamento angular relativo entre os elementos de inércia do
ramo do freio (DBSff) ao longo da execução do ensaio. ... 143 Figura 6.49 – Torque aferido no torquímetro do ramo do freio (DBSff) ao longo
da execução do ensaio. ... 143 Figura 6.50 – Modelo de folga obtido por meio das otimizações para o elemento
de folga do ramo do freio (DBSff) em contraste com o histograma bivariado das amostras aferidas para as variáveis de deslocamento angular relativo e torque. ... 144 Figura Apêndice B.1 – Esquemático dos circuitos empregados no tratamento de
sinais para os encoders ópticos. ... 163 Figura Apêndice B.2 – Esquemático dos circuitos empregados no tratamento de
sinais para os encoders indutivos do veículo. ... 163 Figura Apêndice C.1 – Configuração da bancada na identificação dos
parâmetros dos elementos de inércia referente ao conjunto dos 4 rolos dianteiros e da linha de transmissão do freio (DDfr + DDff + BSff). ... 164 Figura Apêndice C.2 – Reta obtida por regressão linear a partir dos ensaios
estacionários para a determinação dos torques de atrito seco e viscoso inerente aos elementos DDfr+DDff+BSff. ... 165 Figura Apêndice F.1 – Torque lido no torquímetro de flange que conecta o
elemento de inércia do MI ao par de rolos do mesmo ramo durante a execução do Experimento A para a identificação dos parâmetros do elemento de inércia DDff. ... 173
Figura Apêndice F.2 – Torque inferido transmitido pela corrente entre os ramos traseiro e dianteiro do eixo dianteiro da bancada no Experimento A para a identificação dos parâmetros do elemento de inércia
DDff. ... 174
Figura Apêndice F.3 – Velocidade angular aferida pelo encoder óptico conectado ao elemento de inércia referente ao par de rolos do ramo do MI durante a execução do Experimento A para a identificação dos parâmetros do elemento de inércia DDff. ... 174
Figura Apêndice F.4 – Torque externo inferido atuando sobre o elemento referente aos rolos do ramo do motor durante o Experimento A empregado na identificação dos parâmetros do elemento de inércia DDfr. ... 175
Figura Apêndice F.5 – Aceleração angular lida para o elemento referente aos rolos do ramo do motor durante o Experimento A empregado na identificação dos parâmetros do elemento de inércia DDfr. ... 175
Figura Apêndice F.6 – Gráficos tipo barras de erro para a leitura de cada divisão do encoder acoplado ao elemento BSff... 177
Figura Apêndice F.7 – Gráficos tipo barras de erro para a leitura de cada divisão do encoder acoplado ao elemento DDff. ... 177
Figura Apêndice F.8 – Gráficos tipo barras de erro para a leitura de cada divisão do encoder acoplado ao elemento MSfr. ... 177
Figura Apêndice F.9 – Gráficos tipo barras de erro para a leitura de cada divisão do encoder acoplado ao elemento DDfr. ... 178
Figura Apêndice F.10 – Gráficos tipo barras de erro para a leitura de cada divisão do encoder de 60 PPR... 178
Figura Anexo A.1 – Motor WEG W22 30CV 2P trifásico. ... 180
Figura Anexo A.2 – Inversor de Frequência CFW-701 HVAC. ... 181
Figura Anexo A.3 – Controlador Monofásico SPC1-50. ... 182
Figura Anexo B.1 – Fotomicrosensor OMRON-EE-SG3. ... 183
Figura Anexo B.2 – Torquímetro tipo flange HBM-T40B. ... 184
Figura Anexo C.1 – Plataforma de Aquisição Modular cDAQ-9178. ... 185
Figura Anexo C.2 – Módulo NI-9239. ... 186
Lista de Tabelas
Tabela 3.1 – Resumo dos tipos de dinamômetro e dos quadrantes de operação ... 64 Tabela 5.1 – Dados do veículo e de densidade do ar empregados nos testes ... 95 Tabela 5.2 – Coeficiente de correlação entre as curvas de torque mensuradas
durante os testes e à esperada pelo controlador. ... 97 Tabela 6.1 – Parâmetros obtidos por meio dos algoritmos de otimização GA e
NMA em comparação com os parâmetros identificados em trabalhos anteriores para o elemento DDfr. ... 117 Tabela 6.2 – Parâmetros obtidos por meio dos algoritmos de otimização GA e
NMA em comparação com os parâmetros identificados em trabalhos anteriores para o elemento DDff. ... 123 Tabela 6.3 – Parâmetros obtidos por meio dos algoritmos de otimização GA e
NMA em comparação com os parâmetros identificados em trabalhos anteriores para o elemento BSff. ... 125 Tabela 6.4 – Parâmetros obtidos por meio dos algoritmos de otimização GA e
NMA em comparação com os parâmetros identificados em trabalhos anteriores para o elemento MSfr. ... 127 Tabela 6.5 – Síntese das métricas de erro obtidas na simulação do ensaio de
validação para o elemento DDfr. ... 130 Tabela 6.6 – Síntese das métricas de erro obtidas na simulação do ensaio de
validação para o elemento DDff. ... 131 Tabela 6.7 – Síntese das métricas de erro obtidas na simulação do ensaio de
validação para o elemento BSff. ... 133 Tabela 6.8 – Síntese das métricas de erro obtidas na simulação do ensaio de
validação para o elemento MSfr. ... 134 Tabela 6.9 – Parâmetros obtidos por meio dos algoritmos de otimização GA e
NMA para o elemento de acoplamento DMSfr. ... 140 Tabela 6.10 – Parâmetros obtidos por meio dos algoritmos de otimização GA e
NMA para o elemento de acoplamento DBSff. ... 144 Tabela Apêndice C.1 – Parâmetros de resistência identificados por meio de
ensaios estacionários ... 165 Tabela Apêndice C.2 – Parâmetros de inércia e Resistência Totais para a
Bancada. ... 166 Tabela Apêndice F.1 – Valor eficaz do erro de leitura normalizado para cinco
Tabela Anexo A.1 – Características do Motor WEG 30CV 20P. ... 180 Tabela Anexo A.2 – Características do Inversor de Frequência CFW-701 HVAC. .... 181 Tabela Anexo A.3 – Características do Controlador Monofásico SPC1-50. ... 182 Tabela Anexo B.1 – Características do fotomicrosensor OMRON-EE-SG3... 183 Tabela Anexo B.2 – Características do Torquímetro HBM-T40B. ... 184 Tabela Anexo C.1 – Características da plataforma de aquisição modular
cDAQ-9178.. ... 185 Tabela Anexo C.2 – Características do Módulo ADC NI-9239. ... 186 Tabela Anexo C.3 – Características do Módulo DAC NI-9263 ... 187 Tabela Anexo D.1 – Parâmetros de resitência identificados por meio de ensaios
estacionários.. ... 188 Tabela Anexo D.2 – Parâmetros de inércia identificados por meio de rampas de
Lista de Símbolos
Caracteres Latinos
Símb. Descrição Un.
Área frontal projetada do veículo m² Aceleração longitudinal do veículo m/s² Torque de frenagem total realizado pelo veículo N·m
Torque de frenagem realizado pelo freio de corrente de Foucault
sobre os rolos dianteiros do eixo dianteiro da bancada N·m
Torque de frenagem que deve ser efetuado pelo freio de corrente de Foucault sobre os rolos dianteiros do eixo dianteiro da bancada com compensação de torque ativada
N·m Torque de frenagem atuando no eixo dianteiro N·m Torque de frenagem atuando no eixo traseiro N·m
Constante de amortecimento viscoso do elemento de inércia do
sis-tema de frenagem do eixo dianteiro da bancada N·m/rad/s Domínio de busca para as variáveis de projeto na otimização via
algoritmos genéticos - Coeficiente de arrasto aerodinâmico -
Constante de amortecimento viscoso do elemento de inércia dos
rolos dianteiros do eixo dianteiro da bancada N·m/rad/s
Constante de amortecimento viscoso do elemento de inércia dos
rolos traseiros do eixo dianteiro da bancada N·m/rad/s
Constante de amortecimento viscoso do elemento de inércia do
sis-tema de motorização do eixo dianteiro da bancada N·m/rad/s Resistência aerodinâmica N Deslocamento longitudinal do ponto de aplicação da força normal
no contato pneu-pista m Deslocamento longitudinal do ponto de aplicação da força normal
para os pneus do eixo dianteiro m Deslocamento longitudinal do ponto de aplicação da força normal
para os pneus do eixo traseiro m Taxa de amostragem do sistema de aquisição S/s
Coeficiente de resistência ao rolamento - Força de atrito no contato pneu-pista N
Símb. Descrição Un.
Força de atrito atuado entre os pneus do eixo dianteiro e os rolos
dianteiros do eixo dianteiro da bancada N
Força de atrito atuado entre os pneus do eixo dianteiro e os rolos
traseiros do eixo dianteiro da bancada N Força de atrito atuando sobre os pneus do eixo dianteiro N Força de atrito atuando sobre os pneus do eixo traseiro N Aceleração gravitacional sobre a superfície terrestre m/s² Resistência ao aclive N Ciclo de processamento da interface homem-máquina -
Número total de ciclo de processamento da interface
homem-máquina durante um experimento -
Momento de inércia equivalente do elemento de inércia do sistema
de frenagem do eixo dianteiro da bancada kg·m²
Momento de inércia do elemento de inércia dos rolos dianteiros do
eixo dianteiro da bancada kg·m²
Momento de inércia do elemento de inércia dos rolos traseiros do
eixo dianteiro da bancada kg·m²
Momento de inércia total dos rolos dianteiros e traseiros do eixo
dianteiro da bancada e de e seus agregados kg·m²
Momento de inércia total dos rolos dianteiros e seus agregados do
eixo dianteiro da bancada kg·m²
Momento de inércia total dos rolos traseiros e seus agregados do
eixo dianteiro da bancada kg·m²
Momento de inércia equivalente do elemento de inércia do sistema
de motorização do eixo dianteiro da bancada
Momento de inércia de cada roda kg·m²
Constante de elasticidade do elemento de acoplamento entre o con-junto dos rolos e o sistema de frenagem do ramo dianteiro do eixo dianteiro da bancada
N·m/rad
Constante de elasticidade do elemento de acoplamento entre o con-junto dos rolos e o sistema de motorização do ramo traseiro do eixo dianteiro da bancada
N·m/rad Metade da distância entre rolos m Massa total do veículo kg Massa do veículo sem as rodas kg
Torque de atrito seco do elemento de inércia do sistema de
Símb. Descrição Un.
Torque limite de atrito seco do elemento de inércia do sistema de
frenagem do eixo dianteiro da bancada N·m
Torque de atrito seco e viscoso inerente aos componentes mecânicos
frenando os rolos dianteiros do eixo dianteiro da bancada N·m
Torque de atrito seco do elemento de inércia dos rolos dianteiros do
eixo dianteiro da bancada N·m
Torque limite de atrito seco do elemento de inércia dos rolos
dian-teiros do eixo dianteiro da bancada N·m
Torque de atrito seco do elemento de inércia dos rolos dianteiros do
eixo dianteiro da bancada N·m
Torque limite de atrito seco do elemento de inércia dos rolos
dian-teiros do eixo dianteiro da bancada N·m
Torque de atrito seco e viscoso inerente aos componentes mecânicos
frenando os rolos dianteiros do eixo dianteiro da bancada N·m
Torque de atrito seco e viscoso inerente aos componentes mecânicos
frenando os rolos traseiros do eixo dianteiro da bancada N·m
Torque de atrito seco do elemento de inércia do sistema de
motori-zação do eixo dianteiro da bancada N·m
Torque limite de atrito seco do elemento de inércia do sistema de
motorização do eixo dianteiro da bancada N·m Massa do conjunto roda e pneu kg Número de amostras coletadas por pacote pelo sistema de aquisição - Força normal atuado sobre o pneu N
Força normal atuado no contato pneu-rolo N
Força normal atuado entre os pneus do eixo dianteiro e os rolos
di-anteiros do eixo dianteiro da bancada N
Força normal atuado entre os pneus do eixo dianteiro e os rolos
tra-seiros do eixo dianteiro da bancada N Força normal atuado sobre os pneus do eixo dianteiro N Força normal atuado sobre os pneus do eixo traseiro N Resistência ao rolamento total dos pneus com o veículo em pista N
Raio do rolo m
Resistência ao rolamento para o contato pneu-rolo N
Resistência ao rolamento para os pneus do eixo dianteiro e os rolos
dianteiros do eixo dianteiro da bancada N
Resistência ao rolamento para os pneus do eixo dianteiro e os rolos
Símb. Descrição Un.
Resistência ao rolamento em pista para os pneus do eixo dianteiro N Raio nominal do pneu m Resistência ao rolamento em pista para os pneus do eixo traseiro N Raio dinâmico do pneu m
Raio dinâmico do pneu sobre o rolo m
Torque de tração N·m
Torque lido no torquímetro entre o conjunto dos rolos dianteiros e o
sistema de frenagem do eixo dianteiro da bancada N·m
Torque a ser lido no torquímetro entre o conjunto dos rolos diantei-ros e o sistema de frenagem do eixo dianteiro da bancada com com-pensação de torque ativada
N·m
Torque trativo realizado pelo motor de indução sobre os rolos
tra-seiros do eixo dianteiro da bancada N·m
Torque trativo que deve ser efetuado pelo motor de indução sobre os rolos traseiros do eixo dianteiro da bancada com compensação de torque ativada
N·m
Torque lido no torquímetro entre o conjunto dos rolos traseiros e o
sistema de motorização do eixo dianteiro da bancada N·m
Torque determinado pelo modelo simulativo para a posição do
tor-químetro para o elementos de inércia N·m Torque de tração atuando no eixo dianteiro N·m Torque de tração atuando no eixo traseiro N·m Velocidade longitudinal do veículo m Coordenada longitudinal m Força atuando sobre o eixo do veículo na direção longitudinal N
Força longitudinal exercida pelos mancais sobre o eixo de suporte
dos rolos dianteiros do eixo dianteiro da bancada N
Força longitudinal exercida pelos mancais sobre o eixo de suporte
dos rolos traseiros do eixo dianteiro da bancada N Força atuando sobre o eixo frontal do veículo na direção
longitudi-nal N
Força atuando sobre o eixo traseiro do veículo na direção
longitudi-nal N
y Coordenada lateral m z Coordenada vertical m Força atuando sobre o eixo do veículo na direção vertical N
Símb. Descrição Un.
Força vertical exercida pelos mancais sobre o eixo de suporte dos
rolos dianteiros do eixo dianteiro da bancada N
Força vertical exercida pelos mancais sobre o eixo de suporte dos
rolos traseiros do eixo dianteiro da bancada N Força atuando sobre o eixo frontal do veículo na direção vertical N Força atuando sobre o eixo traseiro do veículo na direção vertical N
Caracteres Gregos
Símb. Descrição Un.
Ângulo de rolagem Rad
Aceleração angular dos rolos dianteiros e seus agregados do eixo
dian-teiro da bancada rad/s²
Aceleração angular dos rolos traseiros e seus agregados do eixo
dian-teiro da bancada rad/s² Aceleração angular da roda rad/s
Aceleração angular da roda dianteira rad/s Aceleração angular da roda traseira rad/s
Ângulo de arfagem rad Ângulo de guinada rad Ângulo de inclinação da via com a horizontal rad
Deslocamento angular referente ao elemento de inércia da linha de
transmissão do freio rad
Deslocamento angular referente ao elemento de inércia dos rolos
dian-teiros do eixo dianteiro da bancada rad
Deslocamento angular referente ao elemento de inércia dos rolos
tra-seiros do eixo dianteiro da bancada rad
Deslocamento angular referente ao elemento de inércia da linha de
transmissão do motor rad
Densidade do ar atmosférico kg/m³ Vetor de parâmetros referentes ao elemento de inércia da linha de
transmissão do motor de indução -
Vetor de parâmetros referentes ao elemento de inércia da linha de transmissão do motor de indução estimado pelo algoritmo de Nelder-Mead
-
Vetor de parâmetros referentes ao elemento de inércia da linha de
transmissão do motor de indução estimado por Algoritmo Genético -
Folga do elemento de acoplamento entre o conjunto dos rolos e o
sis-tema de frenagem do ramo dianteiro do eixo dianteiro da bancada rad
Folga do elemento de acoplamento entre o conjunto dos rolos e o
sis-tema de motorização do ramo dianteiro do eixo dianteiro da bancada rad Ângulo formado entre a força normal atuando sobre os pneus e os
rolos e a reta que liga o centro do eixo frontal do veículo e o centro do rolo dianteiro do eixo dianteiro da bancada
Símb. Descrição Un.
Ângulo formado entre a força normal atuando sobre os pneus e os rolos e a reta que liga o centro do eixo frontal do veículo e o centro do rolo traseiro do eixo dianteiro da bancada
rad
Ângulo do triângulo retângulo formado entre a vertical e a reta que liga o eixo da roda ao eixo de um dos rolos de um dinamômetro de rolos duplos
rad
Velocidade angular do elemento de inércia do sistema de frenagem do
eixo dianteiro da bancada rad/s Velocidade angular do(s) rolo(s) rad/s
Velocidade angular dos rolos dianteiros e seus agregados do eixo
di-anteiro da bancada rad/s
Velocidade angular dos rolos traseiros e seus agregados do eixo
dian-teiro da bancada rad/s
Velocidade angular do elemento de inércia dos rolos dianteiros do
eixo dianteiro da bancada rad/s
Velocidade angular do elemento de inércia dos rolos traseiros do eixo
dianteiro da bancada rad/s
Velocidade angular do elemento de inércia do sistema de motorização
do eixo dianteiro da bancada rad/s Velocidade angular da roda rad/s
Velocidade angular da roda dianteira rad/s Velocidade angular da roda traseira rad/s
Lista de Siglas e Acrônimos
Siglas Descrição
ABS Antiblockier-Bremssystem (Sistema de Freio Antitravamento) ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
ACC Adaptive Cruise Control (Controle de Cruzeiro Adaptativo) ADC Analog-to-Digital Converter (Conversor Analógico-Sigital)
BMS Battery Management System (Sistema de Gerenciamento de Bateria) CA Corrente Alternada
CAN Controller Area Network CC Corrente Contínua
CI Circuito Integrado
CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente
CVT Continuously Varible Transmission (Transmissão Continuamente Variável) DAC Digital-to-Analog Converter (Conversor Digital-Analógico)
DCL Diagrama de Corpo Livre
DCT Dual Clutch Transmission (Transmissão de Dupla Embreagem) ECU Engine Control Unit (Unidade de Controle do Motor)
eCVT Electronic CVT (CVT eltrônico)
EDC Electronic Diesel Control (Controle Eletrônico de Injeção Diesel) EE Ensaio Estacionário
EiL Engine-in-the-Loop (Motor na Malha de Controle)
EMC Electromagnetic Compability (Compatibilidade Eletromagnética) ESP Electronic Stability Program (Programa Eletrônico de Estabilidade)
ETPS Engine Torque Profile Simulation (Simulação do Perfil de Torque do motor) FCF Freio de Correntes de Foucault
GA Genetic Algorithm (Algoritmo Genético)
GDI Gasoline Direct Injection (Injeção Direta de Gasolina) GDL Grau de Liberdade
HCs Hidrocarbonetos
HCU Hybrid Control Unit (Unidade de Controle para Híbridos) HHC Hill Hold Control (Assistente de Partida em Rampa)
HiL Hardware-in-the-Loop (Controlador na Malha de Controle)
Ibama Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor (Transistor Bipolar de Porta Isolada)
IHM Interface Homem-Máquina
Inmetro Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia LabSIn Laboratório de Sistemas Integrados
LIN Local Interconnect Network MCI Motor de Combustão Interna
MAE Mean Absolute Error (Média do Erro Absoluto) MI Motor de Indução
MP Material Particulado NOx Óxidos de Nitrogênio
Siglas Descrição
NVH Noise, Vibration and Harshness (Vibração, Ruído e Aspereza) OBD On-Board Diagnostic (Sistema de Autodiagnóstico)
PCM Powertrain Control Module (Módulo de Controle do Trem de Potência) PFI Programmable Function Interface (Interface de Função Programável) Proconve Programa de Controle de Poluição do Ar por Veículos Automotores
RMS Root Mean Square Value (Valor Eficaz)
RMSE Root Mean Square Error (Raiz do Erro Quadrático Médio) RP Regime Permanente
RV Rampa de Velocidade
TCS Traction Control System (Sistema de Controle de Tração)
TCU Transmission Control Unit (Unidade de Controle da Transmissão) TTP Time-Triggered Protocol (Protocolo Gatilhado no Tempo)
Unicamp Universidade Estadual de Campinas USB Universal Serial Bus
VGA Video Graphics Array
xCU x Control Unit (Unidade de Controle do Componente x) XiL X-in-the-Loop (Componente X na Malha de Controle)
Sumário
1 INTRODUÇÃO ... 31
1.1 Objetivos do Trabalho ... 35
2 DINÂMICA VEICULAR LONGITUDINAL ... 37
2.1 Resistência Aerodinâmica ... 38 2.2 Resistência ao Rolamento ... 39 2.3 Resistência ao Aclive ... 43 2.4 Equação do Movimento ... 43
3 BANCADAS PARA TESTES EM TRENS DE POTÊNCIA AUTOMOTIVOS .. 47
3.1 Classificação segundo Paulweber e Lebert ... 49 3.1.1 Bancadas de Teste para MCIs ... 49 3.1.2 Bancada para Testes de Agregados ... 50 3.1.3 Bancada de Teste para Unidades Controladoras (HiL) ... 51 3.1.4 Bancadas de Teste para Transmissão e Trem de Potência ... 52 3.1.5 Bancada de Teste para Veículos ... 54 3.1.6 Bancadas para Veículos de Alto Desempenho... 55 3.1.7 Bancadas para Certificação de Emissões ... 55 3.1.8 Síntese ... 57 3.2 Modos de Controle de Bancadas Dinamométricas ... 58 3.3 Tipos de Atuadores ... 58 3.3.1 Quanto ao Princípio de Funcionamento ... 59 3.3.2 Quanto aos Quadrantes de Operação ... 63 3.3.3 Quanto à Faixa Dinâmica de Operação... 65
4 DINAMÔMETROS DE CHASSI ... 67
4.1 Resistência ao Rolamento no Contato Pneu-Rolo ... 70 4.2 Configurações dos Dinamômetros de Chassi de Acordo com o Contato de Transmissão de Força ... 71
4.2.1 Dinamômetro de Chassi de Rolos Simples ... 71 4.2.2 Dinamômetro de Chassi de Rolos Duplos ... 72 4.2.3 Dinamômetros de Chassi de Esteira ... 75
5 DINAMÔMETRO DE ROLOS DO LABSIN ... 76
5.1 Cálculo do Torque Requerido de Compensação da Bancada na Roda para a Configuração 2WD (Modelo de 1 Grau de Liberdade da Bancada) ... 79
5.1.1 Torque atuando sobre a Roda Trativa do Veículo sobre a Bancada (Modelo 1GDL) ... 79 5.1.2 Cálculo dos Torques de Compensação Necessários nos Atuadores do Dinamômetro ... 83 5.2 Atuadores ... 84
5.3 Sensores ... 85 5.4 Sistema de Aquisição ... 85 5.5 Desenvolvimento da Interface Homem Máquina (IHM) ... 87 5.5.1 Painel do Operador ... 91 5.5.2 Painel do Motorista ... 92 5.6 Primeira Versão do Controlador ... 93 5.6.1 Dados do Veículo e Ambientais Empregados nos Testes ... 95 5.6.2 Resultados ... 96
6 MODELO DINÂMICO DE 4 GRAUS DE LIBERDADE ... 98
6.1 Modelo Dinâmico ... 98 6.1.1 Modelo para Folga dos Acoplamentos ... 103 6.1.2 Modelo para o Torque de Atrito Seco ... 104 6.2 Modelo Dinâmico Desacoplado para Identificação de Parâmetros ... 106 6.3 Inserção de Encoders para a Aferição da Velocidade Angular dos Quatro Elementos de Inércia ... 108 6.4 Calibração de Parâmetros dos Elementos de Inércia via Minimização da Raiz do Erro Quadrático Médio (RMSE) do Sinal de Velocidade ... 110
6.4.1 Descrição dos Experimentos ... 113 6.4.2 Parâmetros do Conjunto dos Rolos Conectados ao Motor (DDfr) ... 116 6.4.3 Parâmetros do Conjunto dos Rolos Conectados ao Freio (DDff) ... 118 6.4.4 Parâmetros do Sistema de Transmissão do Freio (BSff) ... 124 6.4.5 Parâmetros do Sistema de Transmissão do Motor (MSfr) ... 126 6.5 Validação dos Parâmetros Obtidos ... 129 6.5.1 Parâmetros do Conjunto dos Rolos Conectados ao Motor (DDfr) ... 129 6.5.2 Parâmetros do Conjunto dos Rolos Conectados ao Freio (DDff) ... 131 6.5.3 Parâmetros do Sistema de Transmissão do Freio (BSff) ... 132 6.5.4 Parâmetros do Sistema de Transmissão do Motor (MSfr) ... 134 6.6 Calibração de Parâmetros dos Elementos de Acoplamento via Minimização da Raiz do Erro Quadrático Médio (RMSE) do Sinal de Torque ... 135
6.6.1 Parâmetros do Elemento de Folga referente ao ramo do Motor (DMSfr)... 137 6.6.2 Parâmetros do Elemento de Folga referente ao ramo do Freio (DBSff) ... 142 6.7 Análise dos Resultados ... 145
7 CONCLUSÃO ... 147
7.1 Trabalhos Futuros ... 152
Apêndices
Apêndice A Publicações ... 161
Apêndice A.1 Periódicos ... 161 Apêndice A.2 Capítulos de Livros ... 161 Apêndice A.3 Congressos e Simpósios ... 161 Apêndice A.4 Lista de Artigos Aceitos Aguardando Publicação... 162 Apêndice A.5 Lista de Resumos Aprovados em Congressos Internacionais .... 162 Apêndice A.6 Lista de Trabalhos Apresentados ... 162
Apêndice B Circuito de Condicionamento dos Sinais de Encoder ... 163
Apêndice B.1 Encoders Ópticos ... 163 Apêndice B.2 Encoders Indutivos ... 163
Apêndice C Caracterização dos Parâmetros de Resistência dos Rolos por meio de Ensaios Estacionários ... 164 Apêndice D Modelo Dinâmico em Simulink para a Identificação de Parâmetros ... 167
Apêndice D.1 Função em Código-M para o Cálculo da Equação de Estado ... 169
Apêndice E Funções em Código-M para o Cálculo das Funções Objetivo ... 170
Apêndice E.1 Para a Identificação dos Parâmetros dos Elementos de Inércia .. 170 Apêndice E.2 Para a Identificação dos Parâmetros do Acoplamento ... 172
Apêndice F Levantamento do Erro de Leitura dos Encoders Ópticos ... 173
Anexos
Anexo A Dados referentes aos Atuadores ... 180
Anexo A.1 Motor AC Assíncrono WEG 30CV 2P trifásico ... 180 Anexo A.2 Inversor de Frequência ... 181 Anexo A.3 Controlador Monofásico SPC1-50 ... 182
Anexo B Dados referentes aos Sensores ... 183
Anexo B.1 Sensor Óptico OMRON-EE-SG3 ... 183 Anexo B.2 Torquímetros HBM ... 184
Anexo C Dados referentes ao Sistema de Aquisição de Dados ... 185
Anexo C.1 cDAQ-9178 ... 185 Anexo C.2 Módulo NI-9239 Conversor Analógico-Digital... 186 Anexo C.3 Módulo NI-9263 Conversor Digital-Analógico ... 187
Anexo D Dados da Bancada Obtidos por meio de Ensaios Estacionários e de Rampas de Velocidade ... 188
1 INTRODUÇÃO
De um modo geral, a palavra “dinamômetro” refere-se a aparatos de medição empregados na quantificação de força, torque e potência, tendo origem nas palavras gregas δύναμη (dýnami: força/potência) e μέτρο (métro: medida). No contexto de máquinas rotativas e, mais especificamente no da engenharia automotiva, o termo dinamômetro se adequa melhor à definição proposta por Figliola e Beasley (2011), os quais caracterizam dinamômetros como sendo “um dispositivo que absorve e men-sura a potência entregue por um sistema de motorização primário”. Martyr e Plint (2012) também definem que dinamômetros “resistem ao torque produzido pela unidade sendo testada, e assim o afere”.
Em outras palavras, dinamômetros são instrumentos de medição que são co-nectados à saída de potência de uma determinada máquina rotativa e que mensuram o torque produzido por esta máquina ao exercerem um torque resistivo, ou seja, ao absorverem a potência por ela produzida, mantendo o sistema em regime estacioná-rio, isto é, sem aceleração. Devido a isso, em alguns casos, são também denominados freios dinamométricos, como no caso do freio de Prony (Figura 1.1), criado em 1821 por Gaspard-Clair-François-Marie Riche, Barão de Prony, (Encyclopædia Britannica, 2017) e reconhecido por ser uma das primeiras formas de dinamômetro inventadas para avaliação de desempenho de motores e máquinas rotativas (Martyr; Plint, 2007; Matthews, 2007).
Deste modo, aferindo-se o torque de reação — normalmente pela carcaça do freio ou por torquímetros tipo flange — necessário para manter o sistema dinamôme-tro-máquina girando numa velocidade angular conhecida e controlada, ou seja, com o sistema em equilíbrio dinâmico, pode-se então determinar a potência líquida pro-duzida pelo conjunto motriz. Repetindo-se este procedimento para diversas dades, obtêm-se as curvas características de torque e potência em função da veloci-dade angular para o sistema propulsor objeto de análise (Hoag; Dondlinger, 2016; SAE International, 2011). Mapas de torque e potência em função da velocidade angu-lar e da carga — no caso de motores de combustão interna (MCI), a abertura da vál-vula borboleta — também podem ser determinados por este método (SAE International, 1995).
Figura 1.1 – Modelo esquemático do Freio de Prony.1
Além destas curvas, as quais são essenciais ao estudo do desempenho do pro-pulsor, é também muito comum, agregando-se outros sensores, a extração dos mapas de consumo específico de combustível (atrelados à eficiência energética da unidade motora) e dos mapas de emissões para diversos produtos de combustão. Dentre eles destacam-se os óxidos de nitrogênio (NOx), o monóxido de carbono (CO), os hidro-carbonetos (HCs) e o material particulado (MP), os quais são tóxicos ao ser humano, e o dióxido de carbono (CO2), que apesar de não ser tóxico, é um dos gases responsá-vel pelo efeito estufa (Martyr; Plint, 2007). Análises de vibração, ruído e aspereza (NVH do inglês Noise, Vibration and Harshness), compatibilidade eletromagnética (EMC do inglês Eletromagnetic Compability) e durabilidade também podem ser reali-zadas em bancadas dinamométricas (Paulweber; Lebert, 2016).
Ainda segundo Paulweber e Lebert (2016), dinamômetros automotivos podem também ser aplicados não somente no desenvolvimento de conversores de energia (motores de combustão interna, motores elétricos, etc.), mas também na avaliação de trens de potência (motor e transmissão acoplados) e, inclusive, no estudo do desem-penho de um veículo de modo integral, isto é, do fluxo de potência do motor à pista, incluindo os pneus. Para esta configuração mais específica em que o veículo comple-to é avaliado sobre a bancada são empregadas na literatura as denominações Dina-mômetro de Rolo (Roller Dynamometer), DinaDina-mômetro de Chassi (Chassis Dynamome-ter) ou Estrada-Rolatente (Rolling Roads), como sinônimos.
Atualmente, porém, a descrição dada até este ponto não é suficiente para des-tacar a versatilidade destes equipamentos no desenvolvimento de novos trens de propulsão automotivos. Já em meados dos anos 60, a crescente preocupação a respei-to dos poluentes emitidos pelos veículos da época impulsionou a criação de bancadas
com sistemas de controle mais sofisticados, tornando-as também capazes de emular ativamente os carregamentos a que o veículo seria submetido quando em pista (Martyr; Plint, 2007). Essa evolução permitiu a aplicação de testes normatizados de condução para certificação de emissões e para homologação de novos veículos. Ao longo da duração destas avaliações, o condutor é orientado a seguir um perfil padro-nizado de velocidades, denominado ciclo padrão ou ciclo de condução dinamométri-co, a fim de se examinar o comportamento de eficiência e emissões do motor em re-gime transiente, condição mais condizente com a realidade de uso do veículo (Giakoumis, 2017).
A partir desta época, os componentes e controladores dos mais diversos sis-temas automotivos tiveram sua complexidade gradativamente aumentada a fim de atender às demandas contemporâneas por maior eficiência energética, menores im-pactos ambientais e por maior segurança. Isso tornou a busca por uma relação otimi-zada e sinérgica de todos os componentes um desafio bastante grande para os enge-nheiros. Além disso, na contramão desta questão, os prazos de desenvolvimento na indústria automotiva vêm ficando cada vez mais apertados, fazendo com que os sis-temas tenham que ser testados em condições representativas em fases cada vez mais precoces do processo de desenvolvimento a fim de adiantar a validação de subsiste-mas, tendência essa que vem sendo denominada frontloading (Paulweber; Lebert, 2016). A Figura 1.2 sintetiza de modo qualitativo esta tendência para tecnologias li-gadas ao trem de potência automotivo nas últimas décadas.
Figura 1.2 – Síntese sobre a complexidade e sobre o tempo destinado ao
desenvolvimento de diversas tecnologias para trens de potência automotivo nas últimas décadas. Fonte: Tradução própria de Paulweber e Lebert (2016).
Em resposta a esse movimento, os sistemas de controle em bancadas de teste também foram bastante refinados nas últimas décadas. Hoje, além das funções de
certificação e mapeamento, as bancadas dinamométricas como um todo se transfor-maram em plataformas mecatrônicas de desenvolvimento, capazes de emular não somente as condições externas em ciclos normatizados, mas também componentes mecânicos do próprio veículo nos mais variados cenários de condução com testes baseados em manobras e eventos (“Maneuver- and Event-based Testing”) de uma ma-neira mais realista, simulada com modelos matemáticos do veículo em tempo real (Pfister; Schyr; Rhun, 2009). Este avanço permitiu agregar condições mais represen-tativas sem, contudo, deixar de lado a vantagem dos testes realizados em ambiente controlado de um laboratório, ou seja, com maior repetibilidade dos testes e reprodu-tibilidade dos resultados, se comparados a testes em pista. A técnica de integrar componentes reais e virtuais em simulações em tempo real é definida por Paulweber (2016) como “X-in-the-loop” (XiL), sendo X dependente do componente físico a ser acoplado por meio da malha de controle aos modelos virtuais.
A título de exemplo, em alguns casos, um veículo completo pode ser emulado por um sistema do tipo EiL (do inglês Engine-in-the-Loop) no teste de bancada de mo-tores à combustão interna. Ou seja, o MCI em desenvolvimento é conectado direta-mente ao dinamômetro, o qual se encarrega de simular o motorista, as resistências ao movimento, o contato pneu-pista e, também, a interação dos elementos da transmis-são e suas características vibracionais, sem a necessidade de se conectar fisicamente qualquer um destes elementos, de fato, ao propulsor.
Este tipo de análise pode ser visto no trabalho desenvolvido por Filipi et al. (2006), os quais o empregaram para o estudo de desempenho de um trem de potência hibridizado, tendo apenas o MCI de fato conectado ao dinamômetro. Outro exemplo de aplicação deste tipo de bancada de motores — controlada por um sistema EiL — para veículos de alto desempenho pode ser visto na Figura 1.3. Com este equipamen-to, a empresa é capaz de, por meio de simulações em tempo real, emular a resposta da transmissão do veículo, como se este estivesse participando de uma corrida, sem de fato precisar colocar o carro e o piloto em pista (Toyota Motorsport GmbH, 2017a), reduzindo os custos e tempos de calibração entre diversos cenários de teste.
Figura 1.3 – Exemplo de bancada dinamométrica do tipo EiL. Fonte: (Toyota
Motorsport GmbH, 2017b)
Diante do exposto, o Laboratório de Sistemas Integrados (LabSIn) da Univer-sidade Estadual de Campinas (Unicamp) visa a aperfeiçoar seu dinamômetro de ro-los por meio do desenvolvimento de uma ação de controle capaz de emular de forma robusta as quatro resistências ao movimento sedimentadas na literatura pertinente à dinâmica veicular longitudinal: a resistência ao rolamento, a resistência aerodinâmi-ca, a resistência ao aclive e a resistência à aceleração (inércia). Com isso, ao se repro-duzir em condições controladas perfis de condução realistas, isto é, mais próximos aos encontrados pelo usuário final, estudos mais precisos a respeito do comporta-mento de trens de potência automotivos poderão ser desenvolvidos. Inclusive cená-rios adquiridos em condições reais em trabalhos anteriores (Oliveira et al., 2016) po-deriam ser testados com este sistema, porém, em ambiente controlado do laboratório.
1.1 Objetivos do Trabalho
O presente trabalho tem por objetivo, então, realizar a caracterização dinâmica da bancada dinamométrica de rolos do LabSIn para a aplicação do modelo resultante na identificação dos atuadores presentes na bancada e, também, posteriormente, na execução de ciclos padronizados de condução. Para tal, foram empregadas técnicas de otimização na minimização do valor eficaz do erro entre sinais lidos na bancada e os resultantes da simulação com o modelo implementado por meio do programa Si-mulink. Das otimizações resultaram os parâmetros que definem os elementos
dinâ-micos da bancada: inércias, coeficientes de atrito viscoso, torques máximos de atrito seco, bem como a folga produzida por acoplamentos.
Além disso, a fim de auxiliar na coleta dos sinais, foi também desenvolvida paralelamente uma nova plataforma modular de aquisição de dados, quatro tacôme-tros com maior resolução foram adicionados ao sistema e uma nova interface ho-mem-máquina (IHM) na linguagem de programação visual LabVIEW foi desenvol-vida. Este conjunto tem por finalidade substituir os sistemas comerciais fechados já existentes na bancada por uma plataforma mais versátil e flexível, capaz de processar e armazenar os dados obtidos pelos sensores, exibir os resultados para o operador, auxiliar o motorista durante a execução do ciclo de condução padronizado e, tam-bém, controlar os atuadores da bancada, porém de uma maneira acessível a novos desenvolvimentos em projetos futuros. Ou seja, permitindo o estudo não somente do veículo, como também a avaliação do desempenho da própria bancada, de novos algoritmos de controle ou da adição de novos sensores ou acionamentos.
2 DINÂMICA VEICULAR LONGITUDINAL
De acordo com Rill (2012), a norma ISO 8855:2011, a qual normatiza o vocabu-lário utilizado no estudo da dinâmica veicular, define também a posição do sistema de coordenadas fixo ao centro de massa do veículo com sua coordenada z apontando para cima. Ou seja, no sentido oposto ao apresentado na norma SAE 670e, usada por Gillespie (1992). Por consequência, sendo a coordenada x apontada para a direção frontal do veículo, a coordenada y deve ser direcionada para seu lado esquerdo, con-forme pode ser visto na Figura 2.1. Esta é a convenção adotada ao longo deste traba-lho.
Figura 2.1 – Definição dos movimentos de translação e rotação do veículo.
Além das translações nas direções x, y e z, denominadas respectivamente lon-gitudinal, lateral e vertical, as três rotações ao redor destes eixos são definidas pelos ângulos de Cardan ou de Bryant (Leal; Rosa; Nicolazzi, 2012; Rill, 2012):
α: rotação ao redor do eixo x, ou ângulo de rolagem (roll angle); β: rotação ao redor do eixo y, ou ângulo de arfagem (pitch angle); γ: rotação ao redor do eixo z, ou ângulo de guinada (yaw angle);
Tendo sido dadas estas definições, Mitschke e Wallentowitz (2014) subdivi-dem a disciplina da dinâmica veicular de acordo com três grandes áreas: a dinâmica longitudinal ou de “condução à frente” (do alemão Geradeausfahrt), responsável pela translação do veículo no eixo x; a dinâmica lateral ou “comportamento em curva” (do alemão Fahrverhalten), que lida com as translações em y e com as rotações de rola-gem (α) e de guinada (γ); a dinâmica de vibrações (do alemão Schwingungen) que em alguns casos pode ser denominada dinâmica vertical, dedicada ao estudo das trans-lações na direção z, das rotações de rolagem (α) e, em menor grau, de arfagem (β), principalmente no que tange às oscilações no carregamento sobre as rodas e ao con-forto dos ocupantes do veículo.
Com isso, bancadas dinamométricas de chassi são essencialmente atreladas à dinâmica veicular longitudinal, pois sobre ela são realizados ensaios que visam a tes-tar o desempenho do veículo em aceleração — como é denominada por simplificação a aceleração à frente – e em frenagem (desaceleração), ou seja, os movimentos de translação na direção x do veículo. Portanto, a fim de se replicar de maneira realista as condições sob as quais um veículo testado encontraria em pista, objetivo do pre-sente projeto, faz-se necessário o estudo das principais forças e fenômenos que inter-ferem no movimento do veículo nesta direção. Deste modo, nas seções a seguir é rea-lizada uma síntese a respeito dos principais carregamentos que afetam a dinâmica longitudinal de um veículo terrestre2.
2.1 Resistência Aerodinâmica
Ao se mover, o veículo precisa deslocar uma determinada massa de ar ao seu redor, gerando diferenciais de pressão em sua carenagem (Figura 2.2) e atrito viscoso devido ao cisalhamento do fluído na interface com a superfície do veículo. Dessa in-teração surgem sobre o centro de massa forças e momentos, os quais atuam em todas as direções principais do veículo. Além de estes carregamentos afetarem o consumo de combustível do veículo, eles têm influência também sobre sua dirigibilidade (es-tabilidade), sobre vibrações e sobre ruídos (Gillespie, 1992; Mitschke; Wallentowitz, 2014).
2 Eckert (2013) realizou um estudo bastante abrangente a respeito das principais definições encontra-das na literatura sobre estas forças, sintetizando e comparando os equacionamentos propostos por cinco diferentes autores.
Figura 2.2 – Coeficientes de pressão traçados normais à superfície do veículo. Fonte:
Adaptado de (Gillespie, 1992).
No que tange à dinâmica longitudinal, a componente com maior influência é a resistência aerodinâmica, a qual entra na equação do movimento longitudinal como uma das forças que o sistema de propulsão do veículo precisa vencer para se manter a uma determinada velocidade longitudinal . A equação empírica que relaciona a força de arrasto aerodinâmico ( ) à velocidade do veículo é dada pela Eq. 2.1 (Mitschke; Wallentowitz, 2014).
2.1
Em que é o coeficiente de arrasto aerodinâmico, determinado experimen-talmente, representa a densidade do ar e , a área superficial do veículo projeta-da em seu plano frontal (yz). Como se pode ver projeta-da equação, a resistência aerodinâ-mica é uma força que cresce com o quadrado da velocidade, se tornando a principal fonte de perdas de energia do veículo a altas velocidades.
2.2 Resistência ao Rolamento
Outra fonte de perdas de energia no movimento longitudinal de um veículo se deve ao fenômeno denominado resistência ao rolamento dos pneus, o qual, segundo Gillespie (1992), pode ser causado por ao menos sete diferentes mecanismos:
a) Perdas de energia devido à deflexão das paredes do pneu, próximo à
superfí-cie de contato;
b) Perdas devido à deflexão dos elementos da banda de rodagem; c) Atrito na superfície de contato;
d) Escorregamentos nas direções longitudinal e lateral; e) Deflexões da superfície da pista;
f) Arrasto aerodinâmico no interior e no exterior do pneu; g) Perdas de energia em protuberâncias;
Mitschke e Wallentowitz (2014) explicam que uma maneira simplificada de se representar a resistência ao rolamento se dá por se modelar o pneu por uma cinta inextensível que representa a banda de rodagem, a qual é conectada ao aro por di-versos elementos mola-amortecedor, conforme visto na Figura 2.3a. Ao entrar em contato com a pista rígida, os elementos são, então, comprimidos, voltando à sua forma original somente na borda de saída da superfície de contato pneu-pista. Ao serem contraídos, porém, além de armazenarem energia de maneira elástica devido aos elementos de mola, seus elementos de amortecimento são responsáveis por ab-sorver parte da energia cinética, transformando-a em energia térmica, a qual tende a aquecer os pneus. Em outras palavras, pneus possuem histerese em sua deformação.
Isso faz com que a distribuição de tensão compressiva no contato pneu-pista se torne assimétrica quando o pneu se encontra em rolamento, deslocando levemente seu centro de aplicação em direção à borda de entrada da superfície de contato (Figura 2.3b) — na ordem de 1% do raio dinâmico do pneu. O somatório das forças deve, no entanto, manter o equilíbrio das forças verticais atuando sobre a roda e, des-ta forma, permanece com o valor da carga vertical ( ) aplicada sobre o pneu. De mo-do global, isso gera um deslocamento da força normal ( ) resultante que sustenta a roda do veículo em uma distância da projeção vertical do centro da roda sobre a pista, produzindo um torque de magnitude que tende a retardar a rotação da roda.
Figura 2.3 – Mecanismo simplificado de formação do fenômeno de resistência ao
rolamento. a) Modelo simplificado que representa o contato pneu-pista com histerese; b) Deslocamento da distribuição de tensões compressivas atuando na região de contato pneu-pista. Fonte: Adaptado de (Mitschke; Wallentowitz, 2014).
A Figura 2.4 apresenta um exemplo de distribuição de pressão para um pneu radial, evidenciando a questão da assimetria.
