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Green Future-AutoMagazine

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Sub23

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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Finalização do Monocoque e Testes

IV. Finalização do Monocoque e Testes

É primordial assegurar que os nossos protótipos apresentam uma estrutura consistente, rígida e que permita obter excelentes resultados em corrida. Assim sendo, para garantir o cumprimento destas exigências, a nossa equipa tem de validar a estrutura do monocoque segundo duas fases – experimental e computacional – antes de proceder com o seu fabrico.

Inicialmente são feitos ensaios de tração, compressão e torção a provetes de fibra de carbono, de modo a verificar tanto a carga máxima que estes são capazes de suportar quando submetidas a diferentes aplicações de forças, como também a resistência do material e a localização da camada de fibra de carbono onde se dá a fratura inicial. Os provetes são também pesados para que consigamos verificar o compromisso que existe entre o peso e a rigidez estrutural. A execução destes testes permite definir diversos parâmetros fundamentais para a conceção de anteparas otimizadas, tais como a espessura do núcleo que fica entre as camadas de carbono e o próprio número de camadas, orientação e gramagem de fibra de carbono.

Tendo estes valores definidos, introduzimo-los nas simulações computacionais das anteparas e, de seguida, por forma a testar a fiabilidade deste elemento, procede-se à realização de testes computacionais de compressão, tração, flexão, torsão e vibração. O design que providenciar melhores resultados (considera-se um determinado fator de segurança), mantendo um baixo peso, é o escolhido para a construção do protótipo.

Finalizada a fase de testes, atribui-se a espessura correta ao design do monocoque e fazem-se os ajustes necessários para que as anteparas tenham o recorte perfeito para encaixar no interior da carroçaria. Estamos, assim, em condições de prosseguir com a produção de um monocoque rígido, resistente, leve e que, acima de tudo, garantirá performances notáveis!

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Análise CFD - Computational Fluid Dynamics - PSEM

III. Análise CFD – Computational Fluid Dynamics

Numa competição como a Greenpower, onde a potência dos veículos é fixa pela organização, a performance destes é fortemente influenciada pelo seu desempenho aerodinâmico. É assim fundamental conceber um design arrojado e otimizado para tornar os nossos protótipos energeticamente eficientes, velozes e competitivos.

Para tal, o Departamento de Aerodinâmica da nossa equipa utiliza uma ferramenta digital de Dinâmica de Fluidos Computacional, ou CFD, que permite simular o escoamento do ar em torno do protótipo. Podemos, então, prever a influência do mesmo na ‘performance’ do veículo, conseguindo otimizar o design e desempenho aerodinâmico do mesmo.

O processo criativo por detrás da produção do monocoque reúne a experiência e o conhecimento dos membros que há mais tempo estão no PSEM, com a jovialidade dos membros novos, que entram na equipa com inúmeras ideias, muitas delas imprevisíveis, mas por vezes inovadoras. Após terem sido definidos os objetivos para a época corrente, cada membro tem liberdade para explorar as suas ideias e criar o seu design, sempre com o aconselhamento do coordenador do departamento.

A carroçaria que providenciar melhores resultados de resistência aerodinâmica (ou drag) e de downforce é a selecionada para ser estudada em detalhe no futuro, onde será analisada a distribuição de pressão no veículo, o campo de tensões viscosas e a esteira do mesmo. Todas as análises aerodinâmicas computacionais são realizadas com recurso ao StarCCM+, um software Siemens disponibilizado pela Cadflow.

O Departamento de Aerodinâmica tem a capacidade de se superar cada vez que produz um novo protótipo, algo que foi notório na produção do GP19. O GP17, o veículo anterior, foi projetado com o objetivo de reduzir a área frontal, por forma a minimizar o valor de resistência aerodinâmica. Para tal as rodas traseiras foram colocadas fora do monocoque, mas protegidas por cavas aerodinâmicas.

Durante o processo de produção do GP19, o design do veículo anterior foi revisto e concluiu-se que o facto das rodas do GP17 se encontrarem fora da carroçaria promovia a formação de uma grande esteira, o que leva a um aumento significativo do drag.
Desta forma, decidiu-se colocar as rodas traseiras do GP19 dentro do monocoque e, apesar de a área frontal resultante ser maior, este protótipo possui valores de resistência aerodinâmica duas vezes menores que o GP17 (cerca de 6 Newton ou 612 gramas-força), algo que melhora significativamente a performance do veículo.

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Rubrica sub23 - PSEM

II. Revisão e planeamento da temporada

Antes de projetar qualquer protótipo, é fundamental rever e avaliar os carros anteriores segundo a sua performance em corrida, processo de construção, complexidade/simplicidade dos seus sistemas, ergonomia de montagem e condução, entre outros, para podermos desenvolver o protótipo seguinte o mais eficiente e competitivo possível. Uma das principais inspirações para o nosso veículo é o notável engenheiro Colin Chapman, fundador da Lotus Cars, e o seu famoso lema ‘Simplify and
add lightness’.

Foi seguindo esta máxima que o chassis tubular em alumínio do GP14 evoluiu para um monocoque integral em fibra de carbono reforçado com núcleo de espuma. A rigidez estrutural alcançada e a diminuição de peso foram tremendas, de tal modo que se tornou possível levantar e segurar o monocoque do GP17 com apenas uma mão.

Um outro avanço foi o da substituição do cubo de engrenagens internas e do sistema de cassetes e corrente por um sistema de polias e correia com uma única relação de transmissão. Tal não só permitiu poupar na complexidade, no peso (e inércia rotacional), e nas perdas que tínhamos nas mudanças de relação e no tensionador, como também possibilitou a escolha da relação de transmissão ideal para cada circuito e para as condições atmosféricas observadas.

Para além disso, devido às restrições de espaço do GP17, inventámos um sistema de direção por manetes que foi igualmente implementado no GP19. No entanto, para o GP21 pretendemos conceber um novo e arrojado sistema de direção com volante. Em termos eletrónicos, estamos focados na elaboração do nosso próprio sistema de controlo de potência e no sistema de telemetria, que permitirão uma melhor gestão da energia e consumo ao longo de toda a prova.

Com tudo isto, fazemos o planeamento da temporada, seja ela de construção ou de projeto (tendo em conta que desenvolvemos um novo veículo de dois em dois anos). Além do design/construção do veículo, ou das competições em si, reservamos vários dias de testes intensivos para podermos estimar o comportamento do veículo em diversas situações, quer de pavimento, quer atmosféricas.

A fase de recrutamento de novos membros é também de extrema importância. Independentemente da idade, experiência ou ano de faculdade, todos eles são instruídos sobre a teoria por detrás dos sistemas do veículo, bem como dos métodos de produção e construção do mesmo.

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PSEM - Apresentação

I. PSEM: Apresentação

O PSEM – Projeto de Sustentabilidade Energética Móvel – é um núcleo de estudantes do Instituto Superior Técnico cujo objetivo é o projeto, construção e otimização de um protótipo elétrico, do qual as principais características são o baixo peso e a elevada eficiência.

Desde o nosso começo em 2013, foram criados 5 protótipos – o GP14 e as suas evoluções, o GP17, e o nosso carro mais recente, o GP19. Todos estes veículos possuem um motor de 240W que, em termos mais automobilísticos, corresponde a 1/3 de cavalo. No entanto, apesar da baixa potência, a nossa otimização permite fazer com que os veículos atinjam até 70km/h utilizando apenas duas baterias de chumbo. De notar que tanto o motor como as baterias são fornecidos pela entidade que organiza a nossa competição e são utilizados por todos os participantes da mesma.

Nós competimos nas corridas da Greenpower Education Trust, em Inglaterra, na categoria Fórmula 24+. Estas são provas de resistência em que o veículo tem de fazer o maior número de quilómetros ao longo de 60 minutos. Nas corridas também participam estudantes de colégios e universidades europeias – e até mundiais – assim como algumas empresas de renome mundial, como por exemplo a Renishaw, famosa pelos seus instrumentos de precisão, e a Jaguar que, por motivos óbvios, dispensa qualquer introdução.

Conquistámos por cinco vezes o prémio máximo de engenharia atribuído pela Greenpower – Siemens Engineering & Design Award, que se tornou no Siemens Digital Award desde 2017. Pelo nosso espírito de competição, de equipa e camaradagem recebemos também o Spirit of Greenpower Award, em homenagem do criador da Greenpower. Não podemos deixar de mencionar o nosso melhor resultado até agora, o 2º lugar em East Fortune, na Escócia, a fatídica corrida em que o piloto ultrapassou todos os veículos, desde o último lugar até ao pódio!

Nesta época, a equipa está a concentrar os seus esforços não só na otimização do GP19, como também no projeto e desenvolvimento do nosso futuro veículo, o GP21! Com base na experiência adquirida ao longo de quase 7 anos, e uma melhoria constante nos resultados, o nosso objetivo com este novo veículo passa por atingir consistentemente os lugares cimeiros da tabela classificativa!

É com muito gosto que colaboramos com o Green Future AutoMagazine nesta iniciativa, e nas próximas edições da rubrica Sub23 vamos descrever ao leitor o percurso que fazemos desde a conceção e design de um novo protótipo até à presença do mesmo na final internacional da Greenpower.

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