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XIV. A Corrida de EastFortune - PSEM

XIV. A Corrida de East Fortune

O resultado de longos meses de projeto, construção e otimização chega por fim à fase final – 60 minutos de prova nas mais reconhecidas e emblemáticas pistas britânicas. É, indubitavelmente, um privilégio poder ter a oportunidade de visitar e competir em pistas como Goodwood (pista do Festival of Speed), Dunsfold (pista de testes do Top Gear), Aintree e Silverstone (a antiga e atual casa do Grande Prémio de Inglaterra de Fórmula 1).

Pouco antes das corridas iniciarem, os veículos alinham-se na grelha, e mal cai a bandeira começamos a analisar os dados telemétricos do carro, por forma a garantir que a carga das baterias é gasta da melhor forma possível, não só para que consigamos ter uma boa velocidade máxima, como também uma boa média ao longo de toda a prova. Estamos constantemente a receber e transmitir informações ao nosso piloto, permitindo que o mesmo consiga adaptar a sua condução aos diferentes cenários de prova e claro, bater os rivais.

No ano passado, o nosso protótipo GP17.Evo revelou-se mais competitivo que o carro da Jaguar-Land Rover, e estávamos taco a taco com os nossos colegas da Silesian University of Technology, da Polónia, com os quais partilhámos o pódio em East Fortune. E que corrida foi essa! O carro começou no último lugar da grelha de partida e teve um arranque mais lento que os restantes participantes. Tal deveu-se à escolha de uma relação de transmissão mais longa, no entanto a mesma assegurou maior velocidade de ponta. Bastou uma volta para que o nosso piloto ultrapassasse todos os veículos em prova e passasse para primeiro lugar. Porém, dadas três voltas, o carro foi vítima degremlins na eletrónica: o pavimento do circuito não tinha as melhores condições e as vibrações provocaram um mau contacto entre o cabo principal de potência e as baterias. Perdemos completamente o ritmo, o carro parou em pista e foi rebocado até às boxes. Prontamente a equipa apercebeu-se do problema e dez minutos depois o carro entrou novamente em pista, em último lugar. Nos restantes 40 minutos de prova, o piloto conseguiu habilidosamente ultrapassar concorrente após concorrente, carro após carro, e conseguiu acabar a prova em segundo lugar! Além disso, batemos o recorde da volta mais rápida dada no circuito em toda a história da Greenpower.

Foi o nosso melhor resultado até à data, o culminar de sete anos de experiência e de trabalho, e sem dúvida a melhor recompensa, não só para os membros da equipa da altura, como também para todos os membros que fizeram o PSEM evoluir e o tornaram naquilo que é hoje.

E o que temos planeado para o futuro? Com o GP19 e com o GP21? Bem, digamos que aquele segundo lugar não vai ser o melhor resultado por muito mais tempo!

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XIII. Deslocamento e Preparativos para a Corrida

XIII. Deslocamento e Preparativos para a Corrida

E chegamos ao dia da Grand Tour do PSEM para as competições em Inglaterra, uma viagem de duas semanas onde oito membros da equipa irão percorrer a Europa até chegarem ao Reino Unido. Sendo uma viagem longa e com um objetivo muito concreto, é necessária uma preparação minuciosa de todos os passos da jornada. Para tal, o Departamento de Comunicação e Marketing encontra-se responsável por planear toda a logística do percurso, definir os checkpoints, as paragens estratégicas e o plano de contingência na infeliz ocasião de algo não correr conforme esperado. São também definidas as estadias e os locais onde poderemos trabalhar no carro no período entre provas. Paralelamente ao trabalho desenvolvido pelo Departamento de Comunicação, os membros de Projeto Mecânico e Eletrónica arrumam os protótipos e todas as ferramentas e componentes que iremos precisar para trabalhar nos mesmos.

Numa viagem de três dias, percorremos Portugal, Espanha, França e, depois de atravessar o Canal da Mancha, chegamos a solo Britânico. As nossas competições decorrem por terras de Sua Majestade, onde iremos encontrar pistas mundialmente conhecidas, como Dunsfold, pista de testes do Top Gear, Goodwood, onde decorre o Festival of Speed, e Silverstone, a casa do Grande Prémio de Inglaterra da Fórmula 1.

Cientes da importância do momento em que nos encontramos, abordamos todas as provas com o mesmo procedimento. Após a chegada à pista, participamos na inspeção realizada pelos oficiais da Greenpower, que se certificam que o veículo cumpre todos os pontos do regulamento técnico e de segurança.

Após a análise ao nosso protótipo, realizamos os preparativos finais, tendo especial atenção ao alinhamento das rodas, afinamento dos travões e à seleção da transmissão, baseada na experiência das provas em anos anteriores. Em seguida, o veículo participa num treino de 90 minutos, para podermos testar a telemetria e verificar os dados recebidos nas boxes e os que o piloto observa no dashboard. Durante o teste é também definida a relação de transmissão adequada à corrida, com base na análise dos nossos modelos e programas de análise de consumo e segundo as condições atmosféricas e o layout do circuito. Após terem sido realizados todos os ajustes, estamos prontos para entrar em prova.

Não perca a edição da próxima semana, em que vamos partilhar consigo a história da corrida em que obtivemos o melhor resultado até ao momento – a corrida de East Fortune!

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Simulações de Prova - PSEM

XII. Simulações de Prova

Depois de fazer o rollout e os primeiros testes nas instalações do Instituto Superior Técnico, submetemos o carro à fase mais intensa, as simulações de prova, com o objetivo de testar o veículo num circuito fechado durante 60 minutos, a duração das corridas.

A primeira validação, ou verificação prática dos resultados teóricos, é relativamente à aerodinâmica. Ao colocar fios de lã na carroçaria, conseguimos observar não só o escoamento e as suas características, como também as zonas problemáticas e de separação do escoamento. Para além disso, o sistema de arrefecimento também tem de cumprir com as condições nominais de operação do nosso motor, em termos de temperatura. É de esperar que, com uma boa análise dos resultados das simulações teóricas, não haja muitas discrepâncias na prática.

Dada a baixa potência do motor, é muito importante reconhecer que o carro apresenta um comportamento significativamente diferente dependendo das condições atmosféricas (se está ou não a chover, e se o vento está de frente ou de trás) e da topografia e pavimento do circuito. Assim, procuramos definir qual a melhor estratégia de poupança de bateria a implementar, tendo em conta os fatores supramencionados. Por exemplo, se o carro estiver numa descida, podemos aproveitar o balanço e, consequentemente, poupar energia. O mesmo acontece se tivermos vento de cauda. Através do registo dos dados telemétricos, podemos desenvolver um modelo de análise e previsão que nos ajudará a decidir qual a melhor relação de transmissão para uma determinada prova, tendo também em consideração os dados observados nos treinos.

Assim, quantas mais simulações/testes fizermos, melhor reconheceremos o comportamento dos protótipos nas diferentes provas em que participemos, assegurando grandes e notáveis exibições!

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Testes às Baterias - PSEM

XI. Testes às Baterias e Roll-out

Dada a baixa potência do motor, cerca de 240 W, é fundamental preservar e garantir a longevidade das baterias durante a prova, garantindo a inexistência de picos de consumo e mitigando o risco de término antecipado da carga.

Ao longo dos sete anos de competição já foram utilizadas diversas baterias, pelo que é necessário realizar uma primeira análise para determinar quais as que se encontram operacionais e que, consequentemente, poderão ser utilizadas no decorrer da temporada. As baterias são testadas individualmente, sendo ligadas a um banco de resistências que as coloca sob uma solicitação semelhante àquela a que são sujeitas numa situação de corrida. São totalmente descarregadas, enquanto a sua tensão e corrente são monitorizadas por sensores montados no banco de testes.

Após a análise dos dados, são escolhidos os melhores pares de baterias e esses são reservados para as corridas. Os restantes são usados para os treinos e para os testes, sendo também descartadas quaisquer baterias que apresentem comportamentos anormais. Em armazenamento, são carregadas regularmente até ao máximo para impedir que percam capacidade.

No carro, as baterias são montadas num espaço especialmente isolado para o efeito e com uma cablagem reforçada em relação ao resto do veículo. Os níveis de tensão e corrente são monitorizados constantemente através dos sensores no veículo, para evitar quaisquer problemas de consumo excessivo, visto que, durante o dia da prova, é proibido o carregamento de baterias.

Após concluir o teste das baterias e a montagem das mesmas, é necessário verificar o alinhamento do veículo. Este processo é garantido por um sistema de lasers e espelhos, desenvolvido pela equipa, que garante o paralelismo entre as rodas dianteiras e o plano longitudinal do veículo. Finalmente são realizados testes físicos nas instalações do Instituto Superior Técnico, de forma a garantir o bom funcionamento de todos os componentes mecânicos e elétricos do veículo, e também para assegurar uma boa aquisição e transmissão de dados.

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X. Assembly Final - PSEM

X. Assembly Final

Tendo todas as ferramentas e componentes ao dispor, a equipa está pronta para fazer a montagem final do veículo, para o levar aos testes.

Primeiramente, trata-se da parte estrutural dos protótipos, assegurando que as anteparas são posicionadas corretamente. Para tal, construímos um jig de montagem, maquinado em MDF na CNC-Router, onde montamos as anteparas e aplicamos cola estrutural. Depois disso, colamos as anteparas à secção inferior da carroçaria para formar o monocoque. Colocamos a espuma de amortecimento ao impacto no nariz do carro, à frente da antepara frontal, e montamos as rollbars. Findada a parte estrutural, podemos prosseguir com a montagem dos sistemas em si.

Começamos por tratar do sistema de direção: colocamos os rolamentos e aparafusamos o disco do travão aos semi-eixos, montamos os semi-eixos no porta-cubos e finalmente montamo-lo nos suportes que estão ligados ao monocoque. Por fim, colocamos o braço da direção, os tirantes, as manetes ou volante (dependendo do sistema implementado) e as pinças dos travões.

A montagem do sistema de transmissão é ligeiramente mais complicada. Primeiro colocamos o motor já com o cooler, e só depois montamos o suporte dos veios traseiros, já com os veios, rolamentos e polia montados. De seguida, ajustamos a polia e a correia no veio do motor e tensionamos. Posteriormente, a equipa de eletrónica entra em ação e coloca as baterias, sensores de temperatura, corrente, tensão, velocidade e posição. Conecta também o controlador de potência, dashboard, sistema de aquisição de dados, sistema de telemetria, luzes de travagem e toda a cablagem essencial. Cerca de 45min depois e já com os espelhos bem posicionados, temos finalmente o protótipo completo!

As rodas e os pneus são os últimos componentes a ser colocados. Montam-se os pneus enchidos à pressão de 7bar na jante e encaixam-se nos respetivos semi-eixos. Dada a influência que estes têm no consumo das baterias, devido à composição da borracha e à pressão, é necessário proceder previamente com uma investigação para selecionar os pneus indicados.

Temos finalmente o carro montado, e seguramente não há nada mais gratificante do que ver o resultado de longos e vários meses de árduo trabalho completo!

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Infusão e Maquinação das Anteparas - Artigo PSEM

IX. Infusão e Maquinação das Anteparas

Após um longo e complexo processo de design e análise computacional do protótipo a produzir, é com grande alegria que a equipa torna o veículo idealizado num produto físico pronto a competir. Juntamente com a produção do monocoque, a boa qualidade resultante do fabrico dos elementos estruturais revela-se um fator de extrema importância. Dentro destes elementos é importante destacar as anteparas, placas sólidas que separam dois ou mais elementos do veículo e que são utilizadas para aumentar a rigidez estrutural, resistência à torsão e flexão do mesmo.

As anteparas são produzidas a partir de fibra de carbono, pelo que é necessário definir quantas camadas de fibra utilizar, a gramagem de cada camada, a orientação das fibras e a espessura do núcleo (favo-de-mel ou espuma), sendo todos estes parâmetros definidos com base em testes mecânicos. Após esta etapa estar concluída, passamos à sua infusão!

Começamos por recortar o núcleo com a forma da antepara, deixando uma margem de 1 a 2 cm, de modo a que as mesmas possam ser posteriormente maquinadas com precisão. As camadas de fibra são dispostas numa base plana, colocando-se o núcleo entre as mesmas. De seguida é disposta a rede de infusão, de modo a facilitar o escoamento da resina pela superfície, podendo também ser colocado Peel Ply na parte superior e inferior da peça (para um melhor acabamento da superfície). Posteriormente, é colocado o saco de vácuo e a resina é injetada.

Após este processo estar concluído, cerca de 12 a 24 horas depois, é necessário eliminar o excesso de material. Para tal, as anteparas são levadas à CNC-Router onde o contorno desejado das mesmas é maquinado. Habitualmente, procedemos com a infusão das anteparas numa base de vidro, para que as mesmas apresentem uma superfície espelhada e um acabamento perfeito.

Para a produção dos restantes componentes contamos com o apoio dos nossos patrocinadores, sem os quais o nosso sucesso não seria possível. Todo o apoio dado ao nível de material fornecido, aconselhamento relativamente ao design e construção, ou mesmo o fornecimento de peças finais para o protótipo são indispensáveis para que o nosso veículo se torne competitivo e vitorioso. A colaboração com os nossos patrocinadores permite igualmente que os elementos da equipa aumentem e sedimentem os seus conhecimentos de engenharia, pois aprendem sobre processos de maquinação, corte a laser, corte por jato de água, torneamento, fresagem e fabrico aditivo.

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PSEM - Produção da Carroçaria

VIII. Produção da Carroçaria

Após o modelo computacional da carroçaria estar completo e otimizado, poder-se-á prosseguir com a sua produção! Para tal, recorremos a moldes, maquinados a partir de um modelo tridimensional da carroçaria, e fazemos a infusão da fibra de carbono.

Ao longo da nossa história executámos este processo de várias maneiras. Para o GP14 usámos poliestireno, uma espuma semelhante à esferovite. Começámos por recortar cada placa com fio quente para formar uma “fatia oval” do molde do veículo. Estas foram depois empilhadas e coladas para conceber o recorde crude do protótipo. Para suavizar a superfície, lixou-se o molde, verificando-se as dimensões após cada sessão de lixa para garantir a equivalência entre o modelo 3D e o real. De seguida, pintámo-lo e fez-se a infusão da fibra de carbono. Finalmente, aplicámos lixa para que a superfície exterior ficasse polida e suave e, assim, obtivemos a carroçaria.

No entanto, este processo revelou-se bastante moroso, pelo que, a partir daí, decidimos que seria mais eficiente produzir os moldes com recurso a uma CNC-Router. Para o GP17, os moldes usados foram de cortiça, um material muito poroso, pelo que o tempo que a equipa depositou no acabamento da superfície foi bastante elevado. Por essa razão, para o GP19, optámos por usar moldes em MDF (Medium Density Fiberboard), o que nos permitiu reduzir significativamente o tempo da fase de acabamento da superfície. Porém, como não foi possível fazer outsourcing da maquinação, a equipa teve de passar mais de 200h a maquinar os moldes!

Para tornar a superfície exterior lisa e aerodinamicamente eficiente sem usar tinta (o volume de tinta necessário para pintar toda a superfície do carro iria acrescentar mais peso ao protótipo, o que não é viável), fizemos uma infusão de fibra de vidro por cima do molde positivo, obtendo um molde negativo. Depois de uns polimentos, o molde negativo ficou pronto para receber a infusão de fibra de carbono: dispusemos a fibra com a orientação pretendida e com o número de camadas determinado nos testes computacionais, aplicámos reforços estruturais, como 3D core (espuma própria para o processo), selámos tudo em vácuo e injetámos resina.

O resultado obtido foi uma carroçaria rígida, lisa, brilhante e com resultados aerodinâmicos incríveis! Como com um bom alinhamento cerca de 70% das forças de resistência atuantes no carro são devidas à aerodinâmica, a mínima melhoria a este nível influencia bastante o resultado numa prova de endurance.

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PSEM-Sistema Elétrico

VII. Sistema Elétrico e Eletromecânico

Todos os protótipos produzidos pela equipa têm como principal objetivo serem veículos elétricos com uma elevada eficiência energética. Para tal, é necessário um sistema que seja capaz de controlar a potência fornecida ao motor e analisar o seu desempenho, bem como o do veículo, para que possam ser realizados os ajustes necessários antes, durante e após as provas. O que assegura estas funções é o Sistema Elétrico e Eletromecânico, que se encontra dividido em diversos subsistemas, sendo eles o de Controlo de Potência, Aquisição de Dados, Telemetria e Comunicação.

O subsistema de Controlo de Potência, constituído pelo motor, baterias, controlador, potenciómetro e pela respetiva cablagem, é responsável pela mobilidade do veículo e permite ao piloto controlar a velocidade a que o mesmo se desloca, através da regulação de um potenciómetro ligado a um controlador PWM (Pulse Width Modulation).

O subsistema de Telemetria desempenha um papel fundamental na performance do nosso veículo, pois é este que permite monitorizar, em tempo real, o estado do protótipo durante a competição. Por intermédio de sensores, são adquiridos dados relativamente à temperatura, velocidade de rotação do motor, tensão e corrente das baterias, entre outros, que serão posteriormente enviados para um servidor online onde podem ser consultados a partir de qualquer dispositivo eletrónico.

De momento a equipa encontra-se a desenvolver um controlador para ser implementado no subsistema de Controlo de Potência do GP21 (por oposição ao controlador standard usado atualmente). Está também a estudar a possibilidade de integração de um módulo wi-fi para partilhar os dados adquiridos pelo subsistema de Telemetria, algo que permitirá uma maior fiabilidade comparativamente à atual solução (radiofrequência), que tem sido usada desde a génese do projeto.

Todos estes sistemas são projetados e produzidos pelo Departamento de Eletrónica que tem realizado um trabalho notável ao longo das últimas épocas, trabalho esse que já foi galardoado em 2018 com o “Siemens Digital Award”, prémio que distingue a equipa com as melhores soluções a nível de design/eletrónica.

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VI. Sistema da Transmissão - PSEM

VI. Sistema da Transmissão

Dada a baixa potência do motor (cerca de 240 W, um terço de cavalo), o sistema de transmissão deverá ser projetado de modo a garantir que as perdas de energia sejam mínimas, assegurando uma eficiência energética que permita alcançar grandes velocidades e grandes feitos.

Desde o início do projeto que a equipa reconheceu que seria mais vantajoso trabalhar apenas com uma roda motriz. Tal deve-se ao facto de um veículo com duas rodas motrizes ligadas a um único eixo ter perdas de energia significativas! Em curva, as velocidades de rotação da roda interior e exterior são diferentes, verificando-se uma perda de aderência da roda interior e um aumento do consumo de energia. A implementação de um diferencial, que é a solução para este problema, iria provocar um aumento considerável e desnecessário do peso e da complexidade, havendo também perdas energéticas nas engrenagens do mesmo.

Assim, o foco está em verificar qual a melhor solução para a transmissão de potência mecânica do veio do motor para a roda motriz e, como tal, os nossos protótipos foram já alvo de diversas alterações. Começámos por implementar no GP14 um cubo de engrenagens internas e, mais tarde, produzimos as nossas próprias cassetes, semelhantes às de uma bicicleta. No entanto, dadas as perdas no desviador, este sistema foi substituído no GP17 por rodas dentadas de dentes retos. Mas em termos de eficiência e manutenção, esta provou-se não ser a melhor hipótese.

A solução ideal foi encontrada aquando da otimização do GP17.Evo: a utilização de duas rodas dentadas, uma no veio do motor e outra no veio da roda motriz, ligadas por uma correia. Embora o carro fique apenas com uma relação de transmissão ao longo de toda a prova, facilmente o piloto consegue ajustar a velocidade, consoante o consumo observado no motor, que é também otimizado pelo nosso controlador de potência. Esta relação é escolhida de acordo com as condições atmosféricas, pavimento do circuito e dados telemétricos observados durante os treinos.

Por forma a garantir a longevidade e bom funcionamento do motor, implementámos um sistema de arrefecimento estudado à minúcia, com o objetivo de dissipar o calor e prevenir o sobreaquecimento do mesmo. Tendo em conta as baixas temperaturas observadas nas competições em Inglaterra, podemos poupar na complexidade do sistema e projetá-lo de acordo com este facto. No entanto, como tencionamos competir com o GP21 em Espanha e quiçá em Portugal, o próximo sistema será bem mais versátil!

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Sistema da Direção - Artigo PSEM

V. Sistema da Direção

Ao longo dos vários anos de existência do projeto, o sistema de direção tem sofrido diversas alterações. Para o primeiro veículo produzido, o GP14, optou-se por utilizar um sistema de direção com volante, onde os braços eram ligados à coluna de direção por dois tirantes independentes. Este veículo possuía também um sistema de suspensão e amortecedores que, apesar de bem projetado, aumentava a complexidade de construção, montagem e o peso do mesmo.

Na produção do GP17, o sistema de suspensão foi eliminado e, por questões de espaço, o volante substituído por um sistema de manetes que denominámos de Superman-Steering. Isto porque, ao empurrar a manete esquerda, o veículo irá virar para a esquerda, o oposto ao que aconteceria numa bicicleta. Apesar de contra-intuitivo, este sistema nunca provou ser um fator limitativo para os nossos pilotos que rapidamente se adaptaram e, como tal, decidiu-se manter o mesmo para o GP19.

Atualmente a equipa encontra-se na fase de projeto do próximo veículo, o GP21, cujo sistema de direção será distinto do utilizado nos últimos dois. O carro possuirá um volante à semelhança do que tinha sido feito no GP14, contudo não existirá um tirante independente para cada braço da direção, pois este torna o sistema pouco eficiente, aumentado a probabilidade de ocorrerem desalinhamentos ao longo da prova. Este problema verificou-se com o GP14.Evo em 2015 na pista de Rockingham, onde um desalinhamento aumentou a resistência devido ao atrito, contribuindo para um consumo excessivo das baterias e consequente término antecipado da prova.

No design do sistema de direção dos nossos veículos é fundamental garantir que se cumprem dois objetivos: o alinhamento das rodas com o eixo longitudinal do carro, quando em linha reta, e a mitigação do atrito em curva. O último é conseguido através da implementação da Geometria de Ackermann, recorrendo ao método do trapézio: coloca-se um tirante a ligar os 2 braços da direção formando, assim, um trapézio com o eixo dianteiro e tornando as rodas, bem como a sua rotação, dependentes uma da outra. Ao ligar depois um dos braços à coluna da direção com um tirante, conseguimos comprir a condição de Ackermann em qualquer ângulo de curva, minimizando assim o atrito. Por fim, o alinhamento é assegurado por um sistema desenvolvido pela equipa que, ao utilizar lasers e espelhos, garante o alinhamento entre as rodas dianteiras (e com o plano longitudinal-vertical do veículo) e entre estas e as rodas traseiras.

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