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Thesis - Técnico Lisboa

1. 32 Figura 24 Opera es de soldadura por FSW 32 Figura 22 Sequ ncia de opera es de quinagem para v rios componentes 32 Figura 25 Terceiro modelo Vista geral e pormenores serrana 33 Figura 26 Quarto e ltimo modelo Vista geral e pormenores sse 34 Figura 27 Identifica o de solicita es em progress o 36 Figura 28 Identifica o de solicita es em travagem 36 Figura 29 Identifica o de solicita es em curva ir 37 Figura 30 Eleva o da roda traseira interior curva seen 38 Figura 31 Identifica o de solicita es em curva com travagem 38 Figura 32 Kit adquirido com motor e controlador ir 40 Figura 33 Aspecto do interior de uma bateria do fornecedor aa 42 Figura 34 Fases da constru o do suporte do motor el ctrico modela o desenho 2D e tra agem fresagem quinagem e montagem final re 43 Figura 35 Montagem necess ria configura o do controlador 44 Figura 37 Aspecto final da maquete funcional de demonstra o do siste
2. 23 255 Segufranca usce ette tege tte ces o ui E tette ttes ae oa 25 3 Desenvolvimento do Produto ssssssssseseseeeeneee enne 28 3 1 Desenvolvimento de Conceito esses enne enne entes ense entren 28 3 1 1 5 hm rr t Re ee e D OB ERI RR ADR e 28 3 1 2 An lise de Comportamento DindMic0 cccccessscecssssscecsesececssaececeesaececsesaeeeeseaeeeeeeaaes 35 3 1 3 Selec o da Tecnologia El ctrica esses enenatis 39 3 2 Fases de Desenvolvimento aer ere Ree e d e RP eve Rr ue e ER EN YS da ntn 43 3 2 1 Plataforma El ctriCa eter tee el ht Rien eR Re dada eee bind aaa 43 3 2 2 Desenvolvimento de Carater sticas Ajust veis cccccccccsssceceessececeesaeeeceeaeeecesaeeeeseaaes 47 4 Motorizac o e Controlo re ae EAEE A nennen nnns inneren nennen nnns 51 viii 5 6 Relat rio d CUSIOS 55 Conclus es e Trabalho Futuro sse ener entem 57 6 1 2 50655 REA RR HUP E Diese ee 57 6 2 Trabalho Futuro vain ee ede he e ie a A RUN 58 Bibliografias ch eke 59 Dur ome 64 A1 Universo de Motores El ctricos Dispon veis
3. eeeesessseeeses seen 64 A2 C lculos Anal ticos dos Esfor os Envolvidos no Veio 65 A3 C lculo dos Diagramas de 5 74 4 Gr ficos Utilizados a Recolha dos Factores de Sensibilidade ao Entalhe para Flex o e TON O Estas 77 5 Notas Sobre Tens es Normais e de Corte M dias e Alternadas 78 A6 Dimensionamento da Chaveta sese enne innen 79 Lista de figuras Figura 1 Eng Art Ingels e primeiro kart rear nennen nnnm 2 Figura 2 Aspecto geral de chassis actuais de competi o areas 5 Figura 3 Kart El ctrico TomKart Com Rui Martins colaborador da equipa Objectivo24 6 Figura 4 Kart el ctrico da empresa Autosil em demonstra o no Kart dromo do Carregado 7 Figura 5 Kart el ctrico da empresa Linde MH 7 Figura 6 Frota de karts el ctricos em 1 8 Figura 7 Produ o de chassis da marca 1 9 Figura 8 Etapas de execu o de um cord o de soldadura por 10 Figura 9 Exemplos de tipo
4. o Todo o sistema de direc o est repleto de caracter sticas construtivas que por sua vez imp em determinados comportamentos ao kart durante a sua condu o A conjuga o dessas caracter sticas com a dist ncia entre os pinos da direc o e a sua inclina o ngulo m ximo de direc o entre 37 outros aspectos construtivos promovem um desn vel horizontal entre as rodas dianteiras do Este facto uma vez que ocorre muito provavelmente em situa o de curva promove a eleva o da roda traseira interior curva tal como se pode observar na Figura 30 Figura 30 Eleva o da roda traseira interior curva Com base nesse fen meno o caso mais cr tico de solicita o do veio traseiro ser o de travagem em curva situa o que se pode observar em seguida Figura 31 Identifica o de solicita es em curva com travagem Onde o Frrg Frrp For a de travagem nas rodas traseiras Frr Frre Frro Rirrg Rirrp Rirrg Rirrp o No anexo A2 desenvolvido um caso pr tico de aplica o desta an lise considerando o instante que reune as duas situa es mais exigentes i e a situa o de travagem aliada descri o de uma curva 38 3 1 3 Selec o da Tecnologia El ctrica A procura de uma solu o el ctrica foi limitada por diversos factores quer em termos de recursos financeiros quer em recur
5. Linear Universidade de Coimbra Coimbra 2008 23 B Em lio Desenvolvimento de Aplicac es de Soldadura por Linear a Diferentes Materiais e Espessuras Tese de Mestrado Insituto Superior T cnico Lisboa 2008 24 Tesla Motors Online Available http www teslamotors com models specs Acedido em Agosto 2012 25 Professional Engineering Electric dreams come true Online Available http profeng com cover story electric dreams come true page 3 Acedido em Agosto 2012 26 Technology Mitsubishi i Miev Online Available http www mitsubishi cars co uk imiev technology aspx Acedido em Agosto 2012 27 K W E C a N C C X D Xue Selection of Electric Motor Drives for Electric Vehicles em 60 Australasian Universities Power Engineering Conference 2008 28 W E E S A Motores de indu o alimentados por inversores de frequ ncia Online Available http ecatalog weg net files wegnet WEG motores de inducao alimentados por inversores de frequencia pwm 027 artigo tecnico portugues br pdf Acedido em Agosto 2012 29 C C Chan The State of the Art of Electric Hybrid and Fuel Cell Vehicles Proceedings of the IEEE Vol 95 No 4 Abril 2007 30 WEG Motores El ctricos Guia de Especifica o Abril 2012 Online Available http catalogo weg com br files wegnet WEG guia de especificacao de motores eletricos 50032749 manual portugu
6. Kart dromo Internacional de Palmela Online Available http kip pt index php option com content amp view article amp id 62 amp ltemid 84 amp lang pt Acedido em Agosto 2012 6 GP de Evora de Karting Regulamento Online Available http kartevora pt ficheiros 5 20Gp 20Primavera REG 20PT pdf Acedido em Agosto 2012 7 IAME The heart of Kart Online Available http www iame it en products iame karting html section motor amp id 13 amp pass si Acedido em Agosto 2012 8 Regulamento Desportivo e T cnico 2012 CAM Karting FPAK Online Available http www fpak pt REG 2012 TROF 20KARTING REG 20D0 20TROFEU 20CAM 20KART 202012 pdf Acedido em Agosto 2012 9 FotoFormulaK Telemetria no Karting Online Available http www fotoformulak com index php option com_content amp task view amp id 396 amp Itemid 86 Acedido em Agosto 2012 10 S E R e E Energ tica SAS Energia Plano Nacional de Ac o para Energias Renov veis Junho 2010 Online Available http sasenergia pt blog media blogs PNAER pdf mtime 1277320910 Acedido em Outubro 2012 11 AutoSport Inova o do Karting em Portugal Online Available http autosport sapo pt inovacao do karting em portugalo kart electrico f77103 Acedido em Setembro 2012 12 Autosil Baterias Online Available http www autosil pt abrir quem somos Acedido em Setembro 2012 59 1
7. 80 DOD 4 50 DOD v 20 DOD 10 DOD Capacidade Normalizada 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Tempo dias Figura 52 Degrada o da capacidade da bateria em fun o do tempo Os gr ficos acima pretendem ilustrar que as profundidades de descarga aparentam ter um efeito negativo na perda de capacidade da bateria vis vel na Figura 51 No entanto se a informa o for disponibilizada em fun o do tempo decorrido ao longo dos ciclos ver Figura 52 poss vel observar que esse tempo decorrido tem mais impacto na perda de capacidade se for comparado com a degrada o de capacidade da bateria a diferentes DODs Na situa o exposta os ciclos de carga e descarga foram efectuados a uma taxa de C 2 Tratando se de c lulas de 2Ah o valor correspondente de carga e descarga de 1A 53 54 5 Relat rio de Custos Tratando se do desenvolvimento de um nico ve culo em fase conceptual todos os custos associados sua realiza o v m inflaccionados uma vez que n o s o aplicados descontos de quantidade nem quaisquer outros benef cios semelhantes portanto espect vel que o custo final do prot tipo constru do se afaste negativamente de um hipot tico pre o de venda ao p blico A tabela seguinte resume os custos associados aquisi o do sistema el ctrico do kart n o pretendendo assemelhar se a um plano de neg cio Equipamento Valor monet rio Euros I V A 23 Euros Kelly Co
8. comercializados em ve culos el ctricos 30 14 Para esclarecer a escolha deste tipo de motores atente se na breve exposi o apresentada para cada um deles gt Os motores DC com escovas s o os motores mais simples que se podem usar em aplica es autom veis sendo muito conhecidos pela sua capacidade de fornecer bin rios elevados a baixas velocidades e pelas suas caracter sticas bin rio velocidade para aplica es com requisitos de trac o Apesar disso s o motores pouco eficientes com pouca fiabilidade e que necessitam de manuten o principalmente devido presen a de escovas dif cil reduzir o tamanho destes motores e por isso tornam se motores pesados e t m ainda a acrescentar o facto de as escovas devido fric o imposta limitarem a velocidade m xima de rota o do motor gt Os motores trif sicos sincronos de corrente cont nua com manes permanentes e sem escovas podem por vezes gerar d vidas em rela o ao seu funcionamento Uma das causas s o as diferentes designa es que os fabricantes utilizam entre si para o mesmo tipo de motor por exemplo motores s ncronos de manes permanentes motores AC auto s ncronos motores s ncronos de frequ ncia vari vel ou motores comutados electronicamente Para esclarecer este aspecto saliente se estes motores n o s o verdadeiramente de corrente cont nua O que acontece que de facto o seu funcionamento requer corrente alternada que dever apr
9. o das chapas ou placas a soldar Tal facto torna se mais percept vel depois de se observar a figura seguinte 7 GI 47 2 27 E by Figura 9 Exemplos de tipos de junta execut veis por FSW a Topo a topo b Topo a topo em Junta em com 3 pe as Soldadura sobreposta e Soldadura sobreposta com 3 pe as f Junta em T com duas pe as 9 Em canto O equipamento dispon vel no Laborat rio de Tecnologia Mec nica do IST dedicado FSW tem a capacidade de efectuar as soldaduras com controlo alternativo de posi o ou de carga aplicada pela ferramenta A ltima op o confere maior homogeneidade das propriedades mec nicas ao longo do cord o contribuindo desta forma para uma melhor qualidade da junta soldada O sistema de fixa o utilizado de car cter standardizado 10 A optimiza o dos par metros de soldadura pode ser efectuada com base na an lise dos resultados adquiridos computacionalmente aliada compara o com os respectivos resultados experimentais Uma vez que esses par metros exercem efeitos significativos no fluxo do material e distribui o de temperatura influenciando dessa forma a evolu o microestrutural do material fundamental a compreens o dessa influ ncia Este aspecto n o ser explorado afincadamente neste relat rio no entanto referem se em seguida alguns dos par metros inerentes ao processo sendo exemplos a for a vertical de forjamento a velocidade de rota o
10. Electronic Control Units ECU que s o a unidade de controlo principal de controlo do motor da bateria dos trav es e de equipamento el ctrico A unidade de controlo principal controla o bin rio dispon vel atrav s da gest o do bin rio do motor segundo os dados recolhidos do acelerador e da unidade de comando da velocidade do ve culo O valor do bin rio necess rio enviado unidade de controlo principal que de acordo com o bin rio debitado no mesmo instante pelo motor solicita a unidade de controlo do motor para se ajustar ao valor que est a ser requisitado Atrav s da coordena o do esfor o de travagem com o sistema de travagem regenerativa que executada pelo motor a unidade de controlo dos trav es gere o bin rio de travagem entre o sistema de travagem regenerativa e a actua o do sistema hidr ulico dos trav es 23 A unidade de controlo da bateria monitoriza o estado do carregamento e do descarregamento da bateria Geralmente o controlo inclui a detec o de derrames de voltagens correntes e temperaturas anormais A unidade de controlo de equipamentos el ctricos controla o conversor DC DC para este gerar diversos n veis de voltagens DC para ilumina o e outros equipamentos gt Controlo e gest o da bateria A monitoriza o das baterias altamente cr tica nos ve culos que as comportam uma vez que podem comprometer a seguran a dos passageiros do ve culo e da sua operacionalidade Mante
11. a centr peta por roda gt Croda 1752 32 4 438 08 72 Foi considerado que a frac o da reac o da for a centr peta do conjunto inicialmente presente roda traseira esquerda totalmente transferida para a roda traseira direita durante a execu o da curva e portanto gt AF 2 438 08 876 16N Croda O momento resultante da ac o dessa resultante dado por gt M rcRoda 2 F Croda RaiOpneu 876 16 x 0 137 120 03N m O momento resultante da ac o da for a centr peta no C M do kart dado por gt Mc Feentripeta X h 1752 32 X 0 25 438 08N m As reac es verticais da resultantes que surgem nas extremidades do veio s o A reac o dos lados esquerdo e direito do kart gt Ryce Rucp Mc Lr 438 08 0 950 461 14N Para o lado esquerdo considerando que as reac es laterais s o igualmente distribu das pelas rodas dianteira e traseira tem se gt Ruce Rucre Rucre ARmucre Rucre Para o lado direito tem se gt Ruen Rucro ARmerp De onde resulta gt Rucre Ruce 2 230 57N gt Rucrp 230 57N For a travagem necess ria gt Frravagem M X a 128 14 72 1884 16 N O bin rio de travagem necess rio de gt Trravagem Frravagem X RaiOpneu 1884 16 0 137 258 13N am Momento de in rcia de travagem gt Mr Frravagem X h 188416 x 0 25 471 04 Do equil brio de
12. bateria e a monitoriza o permanente da voltagem e temperatura das baterias 27 3 Desenvolvimento do Produto 3 1 Desenvolvimento de Conceito 3 1 1 Conceito Estrutural O foco inicial de desenvolvimento deste projecto encontra se na base estrutural do mesmo O objectivo proposto foi o de desenvolver uma alternativa estrutural aos chassis utilizados na actualidade passando pela utiliza o integral de alum nio Desta forma seria utilizado maioritariamente o processo de friction stir welding garantindo a qualidade e homogeneidade de todas as soldaduras procurando aumentar o tempo de vida til da componente estrutural Aliada utiliza o de uma liga de alum nio vem por um lado associada a vantagem da redu o de peso do conjunto final por outro lado vem tamb m a necessidade de garantir que o chassis permanece com as caracter sticas de rigidez necess rias ao bom comportamento torsional do ve culo em pista Para isso durante o desenvolvimento da solu o estrutural foram adoptados quatro vectores de orienta o para a inova o inerente a este processo especificamente e Durante o processo de modela o foi sempre tida em considera o a premissa de projectar para construir Mais concretamente algumas das solu es construtivas encontradas passam pela necessidade de recorrer a opera es de quinagem e corte por arranque de apara Nesse sentido a modela o foi direcionada para aspectos como garantir a perpe
13. do em a o uma vez que se trata de um componente sujeito a cargas din micas muito exigentes A Figura 42 ilustra as fases de desenvolvimento deste componente Figura 42 Suporte do motor el ctrico A localiza o final da bateria tamb m exigia a constru o de um novo suporte Foi escolhido o lado esquerdo do kart para estudar a aplica o desse suporte Depois de analisadas v rias op es foi atingida uma solu o exequivel que daria resposta s necessidades da fixa o deste componente em particular Foram tidos em conta aspectos como distribui o de peso e protec o contra elementos externos projec o de detritos A Figura 43 ilustra as fases de desenvolvimento deste suporte Figura 43 Suporte da bateria Por ltimo era necess rio construir o suporte do controlador O espa o dispon vel no kart para fixar este componente j era algo limitado e por essa raz o o desenvolvimento revelou se mais complexo O local escolhido para a fixa o deste componente foi a zona traseira do banco Desta 48 forma os componentes ficam protegidos dos detritos exteriores A Figura 44 ilustra as fases do desenvolvimento do suporte Figura 44 Suporte do Controlador A sua forma viria a exigir uma opera o de soldadura neste caso em T O processo de soldadura por FSW escolhido para esta aplica o exige uma estrutura de posicionamento e fixa o dos componentes a soldar que tenha capacidade de responder
14. esse valor de 145kg com o piloto equipado a bordo sem combust vel 8 Os karts s o monitorizados em pista atrav s de tecnologia telem trica onde s o controlados os valores de velocidade rota o do motor temperatura do motor dos pneus e do l quido de refrigera o press o dos pneus e tempos por volta 9 Como resultado dos desenvolvimentos efectuados em torno das alternativas energ ticas renov veis e das iniciativas cada vez mais presentes por parte das empresas relacionadas com essa tecnologia existem j em Portugal alguns prot tipos de karts el ctricos Figura 3 Kart El ctrico TomKart Com Rui Martins colaborador da equipa Objectivo24 O primeiro kart el ctrico em Portugal tal como designado pelos respons veis pelo projecto foi constru do e testado no kart dromo de Oi vis vel na Figura 3 Resultou de uma parceria entre a equipa Objectivo24 e a L Kart no seguimento do plano tecnol gico para as energias renov veis em vigor no anterior governo 10 Corria o m s de Setembro do ano de 2009 quando esse prot tipo apelidado de baseado numa convers o de motoriza o de um kart usual foi testado em condi es reais dispondo de um motor el ctrico de 48V com uma pot ncia m xima de 10kW cerca de 14cv 11 Mais tarde j em Julho de 2010 apresentado kart el ctrico desenvolvido pela empresa Autosil no mbito do projecto Win A empresa tem
15. sentidos de rota o do motor e foi poss vel iniciar a marcha nos dois casos a partir de velocidade nula A velocidade m xima est limitada a cerca de 70km h uma vez que est dependente da rota o m xima do motor e da rela o de transmiss o utilizada 3 2 2 Desenvolvimento de Carater sticas Ajust veis No que toca s caracter sticas ajust veis do foram concebidos constru dos e aplicados os sistemas de ajuste da posi o longitudinal dos pedais Para o pedal do acelerador potenci metro foi constru do a partir de uma placa espessa de alum nio um sistema de ajuste r pido Para isso foram utilizados duas cames de aperto r pido tipicamente utilizadas em bicicletas A Figura 40 ilustra o processo de desenvolvimento desde sistema Figura 40 Sistema de ajuste do acelerador Por sua vez sistema do ajuste do pedal do trav o foi concebido desta feita tendo em conta o aproveitamento do pedal original do acelerador Uma vez que o sistema de travagem cr tico durante a utiliza o regular de um foi desenvolvido um sistema de ajuste que embora requerendo mais tempo para o operar diminui a possibilidade de falha do sistema quando comparado com outras op es de ajuste r pido A Figura 41 ilustra as fases de desenvolvimento deste sistema de ajuste 47 Figura 41 Sistema de ajuste do pedal do trav o Em rela o aos componentes da plataforma el ctrica o suporte do motor foi constru
16. www abb pt ProductGuide Acedido em Mar o 20111 49 Kelly Controls LLC Lead to clean the World Online Available www kellycontroller com Acedido em Mar o 2011 50 Headway Online Available http www chinaheadway com Acedido em Mar o 2011 51 Motores Honda Manual do Propriet rio GX200 Online Available http engines honda com pdf manuals 37Z4F603 pdf Acedido em Agosto 2012 52 Eurocabos Lisboa Portugal Caracteristicas T cnicas de Condutores El ctricos Junho 2006 Online Available http www eurocabos pt links download php id 19 Acedido em Setembro 2012 53 J W al Cycle life model for graphite LiFePO4 cells Journal of Power Sources 2010 54 J E Shigley Mechanical Engineering Design 8ed in SI units McGraw Hill 2006 55 RIAKART Kart Dino Leisure Especifica es de Produto Online Available http www riakart pt product kart dino leisure outdoor c motor honda gx 160 1 Acedido em Setembro 2012 56 International Commercial amp Industrial Investment Co Honda Gx Series Specifications Online Available http www elsayad com eg engine htm Acedido em Setembro 2012 62 57 Honda Engines Online Available http engines honda com models model detail gx200 Acedido em Agosto 2012 58 G B Rodrigues Modela o e Simula o de um Formula Student El ctrico Instituto Supe
17. Identifica o de solicita es em travagem 1 De ora em diante a nomenclatura F e T procura estar associada s zonas dianteira e traseira do kart bem como D e E aos lados direito e esquerdo respectivamente 36 Onde o Frr For a de travagem nas rodas traseiras o F Frrl For a de in rcia durante a travagem aplicada no o Rir For a de reac o dianteira resultante do momento de in rcia de travagem o Rir For a de reac o traseira resultante do momento de in rcia de travagem gt Neste caso a for a de trac o das rodas traseiras nula Fr 0 gt Por simplifica o as for as de resist ncia ao rolamento e de resist ncia aerodin mica ser o desprezadas em toda a an lise subsequente Atente se agora nas for as que actuam no kart aquando da descri o de uma curva esquerda Ur Au MI LIE SETS PL neste caso com acelera o nula R McTE R McFE is Rye D E Figura 29 Identifica o de solicita es em curva Onde o For a centrifuga o Prg Psp Peso do kart nas rodas dianteiras o Pre Peso do kart nas rodas traseiras o Lr Comprimento do eixo traseiro o Lp Dist ncia entre as rodas dianteiras O Recre Recep Rrere Rrcrp Reac es devidas a em cada roda o Ruce Rucp Bin rio de for as resultante do momento originado por Fc Ryce Rucre Rucre Rucrp
18. MPa C lculo da for a tangencial aplicada na chaveta For a Tangencial Bin rio de tor o 258 3 Di metro da Sec o 0 025 For a Tangencial Bin 0 2 20664 0 Dimensionamento ao corte rea de corte A 0 00040110 Tens o de corte 70 71 Factor de seguran a ao corte n 3 99 Dimensionamento ao esmagamento rea de esmagamento A 0 00009 Tens o normal 234 82 Factor de seguran a ao esmagamento n 2 1 Com base nos factores de seguran a obtidos est verificada a seguran a da chaveta ao corte e ao esmagamento 79
19. Tabela 11 Esfor os nos rolamentos e nas extremidades do veio 67 Das rela es indicadas anteriormente dest tico M 0 0130 MPa 265 00 194 21 125 35 MPa 341 6 22 7 39 r MPa 0 00 104 10 134 80 MPa 265 00 265 00 265 00 Ny 2 00 2 00 2 00 Tabela 12 Valores obtidos atrav s das rela es Foi portanto assumido que o di metro est tico do veio dever ser no m nimo de 23 3mm Para esse novo valor de di metro foram recalculados os mesmos termos dest tico m 0 0233 0 0233 194 21 96 80 MPa 6 22 6 22 amp MPa 104 10 104 10 MPa 265 00 204 64 Ny 2 00 2 59 Tabela 13 Valores recalculados para o di metro m nimo gt Fadiga Para o projecto fadiga foi utilizado o crit rio de Goodman modificado indicado a seguir Om 1 4 Se S n Onde a 0 b Om Smax Omin 2 Se ka kp ke acted i Factor de condi o de superficie maquinado ka a XS 4 51 b 0 265 5 630 MPa 68 ii Factor de escala kp 1 24 x 179107 279mm d lt 51mm ou kp 1 51 4 9457 51 mm lt d lt 254mm iii Factor de carregamento Carregamento com flex o e tor o k 1 iv ka Factor de temperatura Foi considerada a temperatura ambiente 1 V k Factor de fiabilidade Foi considerada
20. como ramo de neg cio o projecto fabrico comercializa o e instala o de baterias para aplica es de arranque de trac o e estacion rias 12 O prot tipo utiliza tamb m uma base usual de um kart comum utilizando um motor el ctrico de corrente cont nua sem escovas de 48 com cerca de 5kW de pot ncia O armazenamento de energia assegurado por duas baterias de l tio com 20Ah cada O peso final do conjunto sem condutor ronda os 130kg 13 Figura 4 Kart el ctrico da empresa Autosil em demonstra o no Kart dromo do Carregado Em Maio de 2011 foi feita uma demonstra o deste prot tipo no kart dromo do Carregado num evento realizado pela Ordem dos Engenheiros No local foram recolhidos pessoalmente registos fotogr ficos do mesmo exemplo da Figura 4 Foi tamb m discutido o conceito principalmente alguns aspectos tecnol gicos com o Eng Paulo Santos da empresa Autosil Do estrangeiro chegam tamb m exemplos de prot tipos el ctricos desenvolvidos por empresas Desta feita por volta do m s de Maio do ano de 2011 a Linde Material Handling uma empresa alem de renome com 40 anos de desenvolvimento em empilhadores el ctricos alcan a um recorde mundial de velocidade com o kart el ctrico Linde desenvolvido no seio da empresa Figura 5 Kart el ctrico da empresa Linde MH Este prot tipo foi desenvolvido a partir de um chassis de competi o KZ1 que na sua vers o motorizada usual disp e
21. da ferramenta a velocidade de avan o linear ngulo de ataque da ferramenta e as caracter sticas da base e do pino da ferramenta Alguns dos par metros atr s indicados s o ilustrados pela Figura 10 Eixo de rota o da aoe 4 al feramenta ee 5580 Ax o Nota Partes soldar ci fortemente constan gidas Figura 10 Ilustra o de componentes e par metros utilizados em FSW A conjuga o destes par metros determina as caracter sticas t rmicas mec nicas e metal rgicas do cord o de FSW quer durante a realiza o do cord o quer no final da liga o O processo de FSW considerado como um dos mais significativos avangos em processos de liga o sendo tamb m identificada como uma tecnologia verde verificada a sua efici ncia energ tica benefic ncia ambiental e versatilidade Quando comparada com processos de soldadura considerados convencionais a FSW consome menos energia e n o requer atmosfera protegida por g s ou fluxo A soldadura n o necessita de material de adi o e dessa forma qualquer liga de alum nio pode ser soldada sem que a compatibilidade entre ligas seja uma barreira 21 22 23 2 4 Tecnologia dos Ve culos El ctricos Devido ao aumento dos pre os dos combust veis verificado a um n vel mundial aliado aos incentivos governamentais para que sejam desenvolvidos novos e mais eficientes meios de transporte a busca exaustiva de alternativas aos combust veis f sseis co
22. das placas a soldar O cord o foi efectuado e foram posteriormente utilizadas t cnicas de ensaios n o destrutivos para averiguar a sua integridade N o foram encontrados defeitos Um novo conceito estrutural foi desenvolvido computacionalmente de forma iterativa confluindo numa solu o construtiva inovadora uma vez que a maioria dos componentes estruturais obtida atrav s de uma placa de alum nio AA5083 H111 com 5 mm de espessura e com uma rea inferior a 1 5 m Desta forma optimizado o aproveitamento de material aliado a uma redu o significativa do peso do conjunto final cerca de 40kg A solu o estrutural obtida requer no entanto sistemas de fixa o espec ficos e robustos aquando da execu o dos cord es de soldadura Garantir a posi o entre componentes a soldar oferecendo simultaneamente um suporte f sico capaz de lidar com as cargas exercidas durante a execu o dos cord es absolutamente crucial O projecto e constru o desses gabaris teria de ser adaptado s caracter sticas da estrutura e do equipamento dispon vel no Laborat rio de Tecnologia Mec nica Este tipo de projecto revela se moroso e complexo por experi ncia raz es que levaram suspens o da sua concretiza o pr tica nesta fase do projecto A an lise do comportamento din mico do kart foi efectuada explicitando as solicita es impostas no chassis nos v rios casos poss veis dentro de pista Todo o trabalho executado resultou nu
23. fiabilidade de 50 k 1 vi ks Factor de efeitos diversos Foi considerado 1 vii 5 Tens o limite de resist ncia S 0 5X S para 5 lt 1460 MPa Nota Ao longo do veio existem quatro escat is Nessas sec es as tens es o e om foram corrigidas com um factor de correc o factor de concentra o de tens es K devido influ ncia que essas altera es na geometria do veio t m no comportamento do mesmo fadiga O factor afectado pelo factor de sensibilidade ao entalhe q que basicamente indica se existem ou n o concentra es de tens es na sec o em estudo Assim fez se tamb m uso das seguintes express es d ot K xo onde Ky 1 qx K 1 e Kfs onde Kj 1 qs X Kis 1 PER 32 K Mq 2 16 K c Tq 2 0 a 36D LM 305 Os gr ficos indicativos dos valores de q e s o apresentados 4 69 32 K Mm 16 K is Tm 2 0 zx Va 3 LE 200 Finalmente depois de manipuladas as express es f e g e recorrendo ao crit rio de Goodman modificado o di metro do veio fadiga pode ser obtido atrav s de 1 B G popa T esp Mm Obs Na express o h utilizado o valor da tens o limite de fadiga 5 No entanto para o c lculo desse valor necess rio introduzir o valor do di metro do veio aquando do c lculo do factor kp Assim foi utilizado um processo iterativo par
24. forte incid ncia nas ligas de alum nio Este um processo de soldadura no estado s lido decorrendo portanto abaixo da temperatura de fus o dos materiais a ligar e de forma autog nea Utiliza uma ferramenta cil ndrica n o consum vel animada de rota o e constitu da por uma base e um pino de geometrias algo complexas Para a correcta realiza o de um cord o de soldadura a ferramenta descrita introduzida na junta em rota o at que a base se encontre em contacto com a superf cie superior das pe as Nessa situa o o pino com perfil especial encontra se totalmente envolvido pela junta terminando assim a fase de mergulho Assim que as condi es t rmicas adequadas forem atingidas iniciado o movimento linear da ferramenta que ir percorrer toda a junta As fases que comp em esta sequ ncia est o indicadas na figura seguinte Mergulho In cio Movimento Fim Figura 8 Etapas de execu o de um cord o de soldadura por FSW A liga o entre os materiais a soldar obtida a partir de uma combina o de extrus o forjamento e mistura dos materiais sob calor gerado principalmente a partir da deforma o visco pl stica da zona processada mas tamb m do atrito interfacial nas zonas de escorregamento entre a ferramenta e os materiais Todas as juntas pass veis de se concretizar atrav s de FSW surgem na Figura 9 Este processo por isso muito exigente no que toca forma e robustez do sistema de fixa
25. mesmo Tamb m foi melhorada a configura o das op es relacionadas com a invers o do sentido de marcha como limite de corrente entregue nessa situa o e reac o do controlador ao accionamento inesperado do respectivo comutador Existe uma outra op o dispon vel no mbito do controlo que n o est neste momento activada mas que ser de todo conveniente faz lo numa outra fase do projecto que se prende com o controlo de temperatura dos componentes por isso poss vel interromper o funcionamento do motor e do controlador aquando da verifica o de um excesso de temperatura Para que o utilizador consiga monitorizar os valores de tens o e corrente durante a utiliza o do kart foram instalados dois mostradores dedicados a cada um desses valores A Figura 49 ilustra o aspecto da sua disposi o antes e depois da montagem Figura 49 Mostradores com indica o de Tens o e Corrente Estes mostradores revelaram se muito teis para uma monitoriza o adequada do estado de carregamento da bateria e da carga entregue ao motor No entanto a sua constru o muito sens vel a perturba es f sicas o que perturba a leitura dos mesmos aquando sujeitos s vibra es e for as G impostas no chassis durante a execu o da pista Na Figura 49 tamb m poss vel observar a posi o do bot o de emerg ncia no canto inferior direito no banco A fixa o do bot o ainda se encontra em testes para averiguar a probabilid
26. muito intensos se a sua utiliza o em pista for muito explorada Por essa raz o n o foi inclu do o ajuste da coluna em comprimento Por seu lado o ajuste angular est dispon vel mas apenas em duas posi es distintas Especificamente o ajuste poss vel encontra se entre 41 na posi o inferior e 46 5 na posi o superior feito com uma liga o roscada e necessita de ferramentas auxiliares para efectuar a mudan a Os ngulos referidos s o medidos entre o eixo da coluna e o plano horizontal do chassis As diferen as entre essas duas posi es podem ser observadas na Figura 47 Figura 47 Posi es Superior e Inferior de Ajuste da Coluna de Direc o 50 4 Motoriza o e Controlo O facto de a propuls o do kart envolver tecnologia el ctrica abre desde logo caminho a novos rumos no controlo de ve culos deste tipo Neste exemplo poss vel aceder ao software do controlador por forma a atribuir configura es ajustadas s mais diversas ocasi es A Figura 48 ilustra duas janelas de configura o dispon veis no controlador onde se podem observar algumas das op es de controlo Step 2 Kelly KDC KDZ Series Controllers Kelly Controllers Configuration Wizar http www KellyController com r General Setting Start up Delay 1 o 5 sec Control Mode Balanced Under Voltage 2 35V Over Voltage 3 55 rF Throttle Up Down Rate 2
27. os 100km h para um peso de 123kg 15 16 As frotas de aluguer compostas por karts el ctricos surgem principalmente em op es indoor A empresa italiana OTL ITALIA KARTS um exemplo e tem dispon veis op es para crian as com 24V lazer para adultos com 48V ou de competi o com 72V capazes de atingir 140km h A tecnologia das baterias sem d vida um ponto forte sendo que neste caso espec fico s o utilizadas baterias de litio polimero Figura 6 Frota de karts el ctricos em carregamento Os karts de tamanho de adulto t m uma autonomia maxima de 20 minutos mas normalmente s o conduzidos em regime de carga m xima durante 8 ou 9 minutos visando dessa forma reduzir o tempo de recarga para menos de 10 minutos com carregadores trif sicos Neste caso os 5 de competi o t m uma autonomia entre 8 e 15 minutos com op o de carregamento r pido a demorar entre 20 e 25 minutos Estrategicamente a empresa disp e de uma frota de 20 carros Durante o per odo de carregamento de metade da frota est o em utiliza o os outros dez ve culos A Figura 6 ilustra a frota de karts com o carregamento das baterias a decorrer Uma funcionalidade muito curiosa adoptada por esta empresa a gest o remota dos seus karts Acontece que todos os ve culos t m instalados v rios modos de configura o electr nica que lhes imputem determinada performance Dessa forma os respons veis pela pista em quest o poder o remot
28. os sistemas de ajuste longitudinal da posi o dos pedais do acelerador e do trav o O mesmo procedimento foi adoptado para os suportes da bateria do motor e do controlador No Cap tulo 4 s o descritos alguns aspectos relativos motoriza o e respectivo controlo Algumas informa es sobre os ciclos de carga e descarga da bateria s o tamb m explicitadas No Cap tulo 5 feito um pequeno relat rio de custos visando uma sucinta compara o entre o resultado at agora obtido e as op es equivalentes existentes no mercado As conclus es sobre todo o trabalho bem como sugest es de trabalho futuro s o indicados no Cap tulo 6 2 Estado da Arte 2 1 O Kart Ao longo de 60 anos de desenvolvimento interessante observar as diferen as evolutivas em torno do mesmo conceito Figura 2 ilustra o aspecto geral de chassis actuais de competi o onde vis vel por compara o com a Figura 1 essa mesma evolu o Figura 2 Aspecto geral de chassis actuais de competi o Estruturalmente o kart tem um comportamento em pista muito peculiar uma vez que a inexist ncia de um diferencial do eixo traseiro imp e a necessidade de em curva apenas tr s das quatro rodas estarem em contacto com o solo evitando assim a perda de trac o e consequente controlo do kart Este aspecto ser abordado exaustivamente na sec o 3 1 2 para melhor compreens o e an lise do mesmo Conhecido esse comportamento os cha
29. para a igni o e ilumina o de ve culos no entanto estas baterias n o s o muito suscept veis a ciclos S o portanto projectadas para funcionarem a baixas temperaturas para a fun o de igni o dos motores de combust o e para fornecer alguma pot ncia em caso de falha do alternador ou do motor sendo m nimos os requisitos c clicos gt Baterias de L tio Este tipo de baterias tornou se um foco de desenvolvimento desde o ano de 1997 Demonstram grande apet ncia para aplica es em ve culos totalmente el ctricos uma vez que possuem caracter sticas de energia e pot ncia espec ficas muito convenientes a essas aplica es Embora a sua produ o seja dispensiosa e exista a necessidade de um rigoroso controlo electr nico elas s o um foco de desenvolvimento actual Estas baterias oferecem uma maior densidade energ tica que as restantes alternativas Actualmente dominam o mercado das aplica es m veis como s o exemplo os telem veis computadores port teis e c meras digitais Est o a come ar a ser utilizadas para ferramentas e v o continuar a expandir se comercialmente As caracter sticas de energia e pot ncia espec ficas melhoraram rapidamente nos ltimos anos e os pre os t m se reduzido como resultado de um aumento de efici ncia produtiva por parte dos fabricantes que enfrentam tamb m um forte mercado concorrente S o frequentemente disponibilizadas em c lulas individuais de pequena voltagem fazendo
30. se posterior uso de liga es em s rie e em paralelo para se atingir as carater sticas desejadas de voltagem e capacidade A Figura 13 ilustra um conjunto de c lulas individuais de l tio constituintes de uma bateria de testes 36 Este tipo de baterias esta em constante desenvolvimento n o s para aplica es de baixas capacidades nos veiculos hibridos mas tamb m para os veiculos hibridos plug in estes ja com a capacidade de serem conectados rede el ctrica dispondo de uma maior autonomia em modo totalmente el ctrico Figura 13 Conjunto de c lulas de l tio individuais Baterias de hidreto de n quel met lico NiMH Este tipo de baterias de segura utiliza o a altas voltagens suportam um elevado n mero de ciclos de vida elevadas temperaturas de funcionamento e apresentam boa toler ncia a sobrecargas e subcargas Os seus componentes s o insens veis ao ambiente circundante e podem ser recicladas 37 S o utilizadas na maioria dos ve culos h bridos a circular at ao momento e t m vindo a ser optimizadas para ciclos de carga descarga intensos e altamente repetitivos O controlo t rmico da bateria essencial e tipicamente adoptado um regime m ximo de opera o a 50 C com curtas perman ncias a 60 C Para temperaturas acima de 70 C poder o 20 ocorrer danos permanentes As c lulas est o no entanto munidas de uma v lvula de emerg ncia que lhes permitir reagir a situa es de sobrecarg
31. ser descrito pormenorizadamente em seguida uma vez que se revelou ser o mais indicado para a aplica o em vista As Fat 4 nm n O kit composto pelo motor de manes permanentes com escovas leitores de tens o Figura 32 Kit adquirido com motor e controlador corrente uma caixa de controlo para testes de bancada dois potenci metros com fun o de acelerador de p e de punho um cabo USB para possibilitar a configura o do controlador o controlador espec fico para motores de corrente cont nua um interruptor principal e um outro inversor de polaridade Especificamente a escolha do motor recaiu sobre um motor de corrente continua de manes permanentes com escovas capaz de disponibilizar uma pot ncia cont nua de 4 8kW com um bin rio nominal de cerca de 13Nm Este revelou ser o mais adequado dentro dos recursos dispon veis Para al m disso electronicamente mais simples e dispensa dispositivos adicionais A Tabela 5 indica sumariamente algumas das caracter sticas mais relevantes e compara as a um motor de combust o interna equivalente utilizado em aplica es de karting de lazer 40 Motor ref Mars 0708 Motor Honda 200 Gx200 Voltagem Pot ncia Corrente Cont nua Corrente M x Efici ncia Velocidade Bin rio nominal Bin rio de pico Peso Pot ncia Espec fica 0 37 kW kg Tabela 5 Tabela comparativa entre motor el ctrico e motor de
32. t o elevada exig ncia uma vez que a sua utiliza o dever incidir sobre um car cter demonstrativo e n o competitivo Desta forma ser utilizado um di metro final de 25mm id ntico aos veios comumente utilizados em chassis de tamanho de crian a incluindo quatro escat is nas zonas dos cubos das rodas pr ximo das extremidades do veio e os restantes na zona de fixa o do disco de trav o e na zona de fixa o da polia Nesta situa o mantendo o momento de travagem e portanto Frravagem V e My igualmente fixos M na sec o x 0 824m poder no limite atingir 240N m valor calculado em projecto est tico para um di metro do veio de 25mm O dimensionamento das chavetas a utilizar est desenvolvido no anexo A6 No projecto destas foi utilizado um material com menor tens o de ced ncia comparativamente tens o de ced ncia do veio para que estas funcionem como fus vel numa situa o imprevista 54 Para determinar os esfor os envolvidos foram consideradas simplifica es oportunamente indicadas Peso total do conjunto Protal 2 m X 9 81 40 60 28 x 9 81 1255 68N Foi considerado que a frac o do peso do conjunto inicialmente presente na roda traseira esquerda totalmente transferida para a roda traseira direita durante a execu o da curva esquerda Pr 0 Total Pro 2X 627 84N For a Centr peta 2 gt m o F 128 11 12 9 1752 32 N Reac o da for
33. taxa for de 0 1 significa 10 da energia total transferida em uma hora ou toda a energia em 10 horas Se por outro lado a taxa for de 5C significa que a transfer ncia da energia total se faz em 1 5 de hora 12 minutos portanto Pot ncia espec fica W kg quantidade de pot ncia obtida por cada quilograma da bateria medida em W kg Um maior valor significar maior facilidade em entregar energia de forma r pida Energia espec fica Wh kg quantidade de energia por cada quilograma da bateria Um valor elevado de energia espec fica significa que a bateria pode armazenar muita energia mas n o implica que a consiga fornecer de uma forma r pida o que aconteceria se tivesse elevada pot ncia espec fica 35 A tabela seguinte apresenta um resumo das caracter sticas das baterias para os ve culos el ctricos EV e h bridos HEV na qual se podem observar as diferen as entre as necessidades destas duas aplica es para marcas como a Panasonic e Saft Tecnologia da Bateria Aplica o V Wh kg W kg Chumbo cido Panasonic EV 60 12 34 2 250 Panasonic HEV 25 12 26 3 389 Hidretos met licos de n quel Panasonic EV 65 12 68 240 Panasonic HEV 6 5 72 46 1093 L tio Saft EV 41 4 140 476 Saft HEV 12 4 77 1550 Tabela 2 Caracter sticas dos v rios tipos e marcas de baterias com aplica es em ve culos el ctricos e h bridos Observem se as diferen as entre os valores de pot ncia espec fica das baterias emp
34. vinte vezes mais energia que um condensador normal Como termo de compara o uma simples bateria de chumbo cido pode armazenar dez vezes mais energia que um ultracondensador no entanto a grande vantagem a de 21 poderem ser carregados e descarregados sem n mero de vezes sem que a sua performance seja afectada Estas caracter sticas podem ser usadas em combina o com as baterias electroqu micas para melhorar os per odos transientes de performance de um ve culo el ctrico aumentando dessa forma a vida til das baterias Descargas s bitas e r pidas da bateria durante as acelera es ou cargas r pidas durante a travagem regenerativa podem ser evitadas com a ajuda dos ultracondensadores Para al m disso estes permitem travagem regenerativa mesmo quando as baterias est o totalmente carregadas De uma forma resumida o funcionamento destes elementos solicitado quando o ve culo se encontra em acelera o e a voltagem da bateria sofre uma redu o moment nea facto que traduzido numa indica o para o sistema de controlo requerer energia ao ultracondensador Numa situa o oposta travagem regenerativa a voltagem da bateria sofre um aumento e portanto o controlo proporciona o armazenamento da energia cin tica do ve culo depois de convertida em el ctrica no ultracondensador Para justificar o desenvolvimento dos ultracondensadores como uma tecnologia distinta das baterias de alta pot ncia cr tico que a
35. 0 Slow PowerOn High Pedal Disable 4 Enable Disable Releasing Brake High Pedal Disable 5 Enable Disable r Description 1 Set delay time to wait for stabilization of B mostly for main contactor debouncing 2 Controller will cut back current at battery voltage lower than 1 1x the value cut out at the value and resume operation at 1 05x the value 3 Controller will cut back regen current at 0 95x the value cut out regen if voltage reached the setting and resume regen at 0 95 the value 4 If enabled the controller will report fault and not operate if throttle got effective output at power up 5 If enabled the controller will report fault and not operate if throttle got effective output after releasing the brake Cancel Previous Next Finish Configuration Wizar http www KellyController com r Regeneration Setting Regeneration 1 C Enable Disable Braking Switch 2 C Enable Disable Releasing Throttle Starts Regen 3 Regen Current by Brake Switch On Max Regen Current 4 Brake Sensor Type 5 Brake Sensor Starting Point Brake Sensor Ending Point 80 Descrip 1 Regen is to recover mechanical energy and charge back to battery It has braking effect Battery and secure current path are required during regen Braker Contactor on battery line has to be dosed 2 If enable turn off throttle and turn on brake switch will start regen 3 If enable r
36. 3 Autosil Caracter sticas do Kart El ctrico Iwin Online Available http www autosil pt public upload Novidades Folheto9620kart9620electrico9620119620PT pdf Acedido em Setembro 20121 14 Linde Material Handling Online Available http www linde mh de de countrysite linde e1 kart linde e1 elektro kart htmltider rekord Acedido em Setembro 2012 15 ERDF Masters Kart Online Available http www erdf masters kart com UK page id 22 Acedido em Setembro 2012 16 Sodi Kart Online Available http www sodikart com en karts sodi prototype html Acedido em Setembro 2012 17 OTL Italia Karts Online Available http www kart1 us electric html Acedido em Setembro 2012 18 CIK FIA Comiss o Internacional de Karting Online Available http www cikfia com regulations homologation html Acedido em Agosto 2012 19 Intrepid Karts Promotional Video Online Available http www youtube com watch v 23nPHvuROgE Acedido em Setembro 2012 20 Recommended Practices for Welding of Chromium Molybdenum Steel Piping and Tubing Online Available http pt scribd com doc 53313429 AWS DO 8 Recomendaciones tuberias Cr Mo Acedido em Setembro 2012 21 P V d Silva Fundamentos do Processo de Soldadura por Fric o Linear Tese PhD Instituto Superior T cnico Lisboa 2003 22 D Rodrigues A Loureiro e R Leal Soldadura por
37. 34012N 15 My 0 Rrygz x 0 My Rogz x 340 12x N m Para 0 824 x lt 0 950 14 gt F 20 Rrgz 2 V 0 Vz 340 12 2224 18 1884 06N 16 2 My 0 0 RrgZ 0 698 x RrpZ My 00 o M 340 12x 2224 18x 237 40 1884 06x 237 40 76 4 Gr ficos Utilizados para a Recolha dos Factores de Sensibilidade ao Entalhe para Flex o e Tor o Gr ficos utilizados para a recolha dos factores de sensibilidade ao entalhe para flex o e tor o respectivamente Fig 6 20 e 6 21 de 54 q 0 75 com r 1mm e 5 630MPa Notch sensitivity q 0 8 0 6 0 4 0 0 Notch radius r mm 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 40 a 1 4 GPa q kp 2 1 0 Steels Alum alloy 0 02 0 04 0 06 0 08 0 10 0 12 0 14 0 16 Notch radius r in qs 0 85 r 1mm e Dureza Brinell lt 200HB 0 1 0 0 8 0 6 0 4 Notch sensitivity 4 pear Notch radius r mm 0 5 LO 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 40 Quenched and drawn steels Bhn gt 200 Annealed steels Bhn lt 200 Aluminum alloys 0 02 0 04 0 06 0 08 0 10 0 12 0 14 0 16 Notch radius r in 77 Tabela 7 1 de 54 Para o escatel 2 2 e Kts 3 0 Bending Torsional Axial Shoulder fillet sharp r d 0 02 2 7 2 2 3 0 Shoulder fillet well rounded r d 1 17 1 5 1 9 End mill keyseat r d 0 02 2 2 3 0 Sled runner k
38. N P cmm 1 Figura 11 Esquema do sistema t pico utilizado nos ve culos el ctricos Actualmente no mercado encontram se diversas solu es de propuls o el ctrica j implementadas o fabricante de ve culos el ctricos TESLA MOTORS faz uso de motores el ctricos AC de indu o ou ass ncronos trif sicos com variador de frequ ncia 24 Propostas concorrentes como o Nissan Leaf e o Mistubishi i Miev v m equipados com motores AC s ncronos de manes permanentes com inversor de DC para AC trif sico 25 26 As caracter sticas de performance de um ve culo geralmente incluem tempos de acelera o avaliada pelo tempo despendido a acelerar o ve culo desde imobilizado at uma determinada velocidade m xima inclina o que o ve culo consegue ultrapassar a uma determinada velocidade e a velocidade m xima que o ve culo consegue atingir Como a transmiss o de pot ncia de um ve culo el ctrico est maioritariamente dependente das caracter sticas devolvidas pelo motor espect vel que este consiga oferecer elevado bin rio a baixas velocidades para arranques e acelera es Para altas velocidades e velocidades de cruzeiro o requisito alta pot ncia Ao mesmo tempo a gama de velocidade sob pot ncia constante desejada a mais vasta poss vel 27 En rio Pot ncia Velocidade base Velocidade M x lac a Figura 12 Caracter sti
39. Rirre Rrey Pro Rirrp 0 Rrgy Rrpy Pro Rirre com Prg 0 3 0 e Rucre Rirre 0 126 0 698 Pro 0 824 Mzrcroda 0 o Rrpy 1 0 698 x 455 95 x 0 126 633 03 x 0 824 120 03 amp e 657 65N De 2 de 3 Rre 480 57N 1 74 Do equil brio de for as e momentos para o plano xz tem se 4 p Fz 0 Rrgz Frravagem 0 Frravagem 5 gt My care 0 0 698 Rrp 0 824 Frravagem 0 0 824 x 1884 16 0 698 2224 28N 1 De 4 e de 5 Rrg 340 12 340 12N 1 Plano xy 0 lt x lt 0 126 m 7 0 Prg RirrE tV 00 V 455 95N 8 0 455 95 x 0 45595 x N m 0 126 x x lt 0 824m 9 0 455 95 480 57 V 20e e V 24 62 10 Mz 0 455 95 0 126 x 480 57 0 o 24 62 57 45 0 824 lt lt 0 950 9 0 455 95 480 57 657 65 0 o Vy 633 03N 10 0 6 5 455 95 0 824 x 480 57 0 698 x 657 65x M 06 e Mz 633 03x 40 26 N m 75 Plano 7 Para 0 x 0 126m 12 0 0 13 My 0 0 0 126 lt x lt 0 824 14 0 Rrgz Vz 0 Vz
40. T CNICO LISBOA Desenvolvimento de Conceito Implementa o e Teste de Plataforma El ctrica em Kart Ajust vel Andr Filipe Alves de Oliveira Disserta o para obten o do Grau de Mestre em Engenharia Mec nica J ri Presidente Professor Doutor Rui Manuel dos Santos Oliveira Baptista Orientador Professor Doutor Pedro Miguel dos Santos Vila a da Silva Vogal Professora Doutora Maria Lu sa Coutinho Gomes de Almeida Vogal Professor Doutor Lu s Alberto Gon alves de Sousa Outubro de 2012 Agradecimentos No decorrer das mais variadas fases deste projecto foram in meras as pessoas que de uma forma ou de outra estiveram do meu lado para que fosse poss vel atingir um objectivo o de concluir t o ambicionado cap tulo da minha vida Em primeiro lugar gostaria de agradecer ao Professor Pedro Vila a por todo o apoio prestado durante o desenvolvimento do projecto e pela experi ncia muito enriquecedora proporcionada dentro do grupo de trabalho por si liderado e sobre a qual tenho o maior apre o Quero tamb m agradecer o apoio do Eng Jo o Santos da empresa SportKart Foi fundamental para estabelecer uma base s lida de desenvolvimento pr tico do projecto sendo que a sua colabora o foi igualmente relevante na partilha de conhecimento sobre Karting Ao Sr lcides reconhecido funcion rio do Kart dromo de F tima demonstro o meu sincero agradecimento pelo apoio sinceridade e humildade que demonstrou ao col
41. a fazer convergir os valores desses di metros Para uma primeira aproxima o do di metro do veio no projecto fadiga usualmente utilizada a seguinte rela o draaiga 1 6 X dest tico Com o valor do di metro est tico j determinado na sec o anterior o resultado da aproxima o do di metro do veio fadiga dradiga 1 6 0 0233 0 0372 Depois de efectuado o processo iterativo o di metro final obtido foi de 37 02mm este o di metro da zona do escatel existente em x 0 864m agora sec o cr tica do veio aspecto abordado mais frente pelo que a aproximag o anterior se revelou ser um bom ponto de partida Todos os valores utilizados e resultados finais obtidos das itera es est o concentrados nas tabelas que se seguem Omin MPa MPa CTuin MPa GTMax MPa MPa OA MPa MPa Ca MPa Tabela 14 Valores obtidos atrav s das rela es 3 No anexo A5 apresentada uma breve explica o sobre tens es normais e de corte m dias e alternadas 70 Lrota do veio S MPa Se Mpa Tabela 15 Valores utilizados para o c lculo da tens o limite de fadiga Ao longo do veio existem quatro escat is dois referentes aos cubos das rodas pr ximos das extremidades do veio e os restantes referentes zona de fixa o do disco de trav o em x 0 186m e zona de fixa o da pol
42. a ideal da pista fun o de grava o de traject ria e de corte de energia Esta solu o ainda revelava necessidades de melhoramento na fixa o do eixo traseiro bem como na vertente estrutural por compara o com os chassis comuns utilizados no Karting Na terceira itera o foi iniciado o desenvolvimento de um novo conceito de optimiza o de utiliza o do material Foi observado que durante a hipot tica fase de corte da placa de alum nio de onde resultaria o chassis do kart existiam espa os sub aproveitados pelo que foi ensaiada uma solu o de aproveitamento desse material 31 Alguns dos componentes do kart foram ent o substitu dos por componentes semelhantes mas que resultariam de opera es de corte e quinagem mantendo as mesmas caracter sticas funcionais Podem ver se alguns exemplos na Figura 22 erro Figura 22 Sequ ncia de opera es de quinagem para v rios componentes Os componentes planos foram depois agrupados por forma a preencher uma rea aproximadamente rectangular resultando na distribui o ilustrada pela Figura 23 O resultado viria a revelar se interessante na medida em que a maioria dos componentes do kart poderia ser obtido atrav s de uma placa de alum nio com menos de 1 5 m Figura 23 Placa de alum nio Distribui o dos componentes a cortar Na Figura 24 s o vis veis exemplos de cord es de soldadura a executar neste caso para unir as metades frontal e traseira
43. a o projecto de um ve culo ter que ser dada especial aten o optimiza o do projecto da bateria caracter sticas de energia e pot ncia para que v de encontro ao equil brio entre capacidade de armazenamento A h e pot ncia kW dispon vel gt Baterias Generalidades Relativamente aos tipos de baterias utilizados os que est o hoje aptos para aplica es em ve culos el ctricos s o as de chumbo cido do tipo de hidretos met licos de n quel e do tipo de l tio Os mais recentes desenvolvimentos de baterias t m considerado baterias de baixa densidade de energia Wh kg para os ve culos puramente el ctricos As baterias para estes ve culos possuem c lulas de maior capacidade Ah quando comparadas com as dos ve culos h bridos 17 Embora as voltagens dos dois sistemas sejam compar veis a energia armazenada numa bateria de um ve culo h brido muito mais reduzida que a de um ve culo totalmente el ctrico A maioria dos carros totalmente el ctricos utiliza baterias de l tio j os h bridos na sua maioria comportam baterias de hidretos met licos de n quel As ltimas por sua vez oferecem uma maior densidade de pot ncia kW kg e um maior per odo de vida til maior n mero de ciclos carga descarga Existe outro tipo emergente de baterias as de l tio pol mero Estas diferem das baterias de l tio usuais na medida em que as ltimas implicam um electr lito aquoso Quando se trata de baterias d
44. a ou curto circuito A Panasonic tem trabalhado em colabora o com a Toyota no projecto Prius e consegue agora oferecer baterias com redu o de peso substancial face ao lan amento inicial desse ve culo bem como melhoramentos nas caracter sticas de pot ncia espec fica da bateria A primeira gera o do Prius em 1997 utilizava um pack de baterias com cerca de 100kg a segunda gera o surgiu no ano de 2000 e conseguira uma redu o do peso para cerca de 75kg Na vers o de 2003 2009 o pack pesava j cerca de 40kg o semelhante ao peso da vers o actual 2009 Presente Conclus es sobre as op es descritas de baterias A grande maioria dos ve culos h bridos comercializados utilizam baterias de hidretos met licos de n quel uma vez que oferecem boas caracter sticas de pot ncia numero elevado de ciclos de vida e uma estimativa de dura o longa para al m de uma boa densidade energ tica Estas baterias t m sido melhoradas substancialmente num curto per odo de tempo e continuam a evoluir positivamente No entanto t m tamb m um alto custo por kWh de energia armazenada devido aos grandes aumentos que se t m vindo a verificar no pre o dos materiais utilizados As baterias de l tio s o o recurso actualmente utilizado para aplica es comerciais principalmente em ve culos totalmente el ctricos ainda que o desenvolvimento destas para os ve culos h bridos esteja muito avan ado Este tipo de baterias oferece maiores densi
45. aborar na fase final deste projecto A todos os colegas de trabalho com os quais me cruzei Jos Pedro Sousa Duarte Rodrigues Bruno Sousa Andr Carvalho Jo o Gandra Miguel Jos Diogo Silva Carlos Castanheira Jo o Prior Filipe Nascimento e a todos os que me acompanharam neste projecto o meu sincero agradecimento Agrade o tamb m aos meus tios Fernando e Irene e primos S rgio e Samuel pela ajuda nunca negada em alturas cruciais Por fim o meu mais nobre agradecimento dirigido aos meus Pais Manuel e Isabel e minha irm Dina por todo o apoio que sempre demonstraram o qual foi fundamental para estar hoje a escrever esta frase Resumo O karting surgiu h cerca de 60 anos nos Estados Unidos e consiste numa actividade desportiva praticada com pequenos ve culos que est dispon vel a todos os cidad os sem limite de idade experi ncia e habilidade Os diferentes chassis utilizados conseguem cumprir com as exig ncias do mundo da competi o ou por outro lado assegurar prazerosos per odos de lazer A faixa et ria dos utilizadores muito alargada verificando se a necessidade de adaptar o ve culo ao tamanho do utilizador facto que muitas das vezes s poss vel trocando de ve culo Neste sentido pretende se com este trabalho desenvolver um conceito de chassis adapt vel ao tamanho do utilizador fazendo uso de novos materiais estruturais e de novas tecnologias de fabrico Na impossibilidade d
46. ade de accionamento involunt rio Caso se verifique com regularidade ser deslocado para a proximidade mantendo a mesma facilidade e desimpedimento no acesso 52 gt Bateria Aspectos funcionais A bateria de l tio adquirida tem um modo de funcionamento que poder n o ser evidente numa primeira observa o e por isso conveniente esclarecer alguns aspectos com ele relacionados para evitar utiliza es danosas A Figura 50 ilustra o andamento dos valores de tens o e corrente de um ciclo de carga e descarga a 1 de uma c lula individual de l tio de 3 2V e 10Ah constituinte da bateria adquirida V Tempo de Carga Tempo de Descarga mA 20000 16000 12000 8000 4000 4000 8000 12000 16000 20000 0 18 36 54 72 90 108 126 144 162 180 mins Tens o aos terminais da bateria n Corrente Figura 50 Andamento da corrente e tens o durante um ciclo de carga e descarga CC CV realizado a 1C de uma c lula individual de 3 2V e 10Ah A melhor forma de carregar uma bateria deste tipo utilizar um ciclo CC CV ilustrado na figura anterior que significa corrente constante e tens o constante ao longo desse per odo de carregamento De uma forma mais expl cita existem quatro intervalos temporais presentes num ciclo e s o eles uma primeira fase onde a bateria descarregada necessita de uma corrente constante muito reduzida para recuperar a tens o aos seus terminais para o seu valor nominal Ultrapassa
47. amente seleccionar o modo pr configurado de performance mais adequado ao condutor bem como accionar a fun o de invers o do sentido da marcha ou at mesmo desligar o kart por completo portanto poss vel manter um novo e melhorado n vel de controlo comportamental no interior da pista 17 O karting indoor como conhecido hoje dever ser a primeira vertente da modalidade a sofrer altera es profundas nas suas frotas com a substitui o das existentes por renovadas op es totalmente el ctricas Este facto traz todo o tipo de vantagens relativas manuten o mais simples e limpa necessidade de extrac o de fumos praticamente inexistente menor custo de utiliza o de cada ve culo ainda que possivelmente mais dispendiosos no acto da compra 2 2 Tecnologias de Fabrico Aplicadas na Produ o de Chassis Tipicamente o material utilizado na constru o dos chassis uma liga de a o Cr Mo uma vez que demonstra bom comportamento fadiga elevada rigidez e boa soldabilidade para al m de constar nos requisitos de homologa o de chassis da Comiss o Internacional de Karting 18 a Dobragem de tubos b Posicionamento c Soldadura automatizada Figura 7 Produ o de chassis da marca Intrepid A tecnologia de fabrico utilizada actualmente na produ o de chassis est automatizada quase na sua totalidade O processo composto por v rias fases algumas ilustradas pela Figura 7 a b e primeira f
48. amento entre os pneus e o solo Os par metros foram assim definidos valores estimados Grandeza Quantidade Unid Massa Chassis 40 Kg Massa Condutor 60 Kg Massa Componentes 28 Kg Velocidade em linha recta 25 m s Velocidade em curva 11 11 m s Raio da Curva 9 m Desacelera o 14 72 1 5G m s Altura Centro de Massa h 0 25 m Dist ncia C M ao Eixo traseiro b 0 35 m Comprimento do Eixo 0 95 m Di metro do Pneu 0 274 m O diagrama de corpo livre do eixo traseiro resulta por fim na seguinte configura o Parao plano xy 0 0 126 0 186 0 824 0 950 m Rox t t 1 2FC poda X Pr Rr Roy Ryte Riz Rim M i Figura 53 Diagrama de corpo livre do veio para o plano xy 7 0 0 126 0 186 0824 0 950 m 2 Rmx F Croda q T Travagem AN Ree Roz Fragen Figura 54 Diagrama de corpo livre do veio para o plano xz Os diagramas de esfor os podem assim ser representados c lculos anal ticos em AZ Plano xy 0 0126 0824 0 950 m t 633 03 v Vy N 120 03 Mz Nm v Plano xz 0 0126 0 824 0950 m I H M y Na Figura 55 Diagrama de esfor os para os planos xy e xz respectivamente Atrav s dos resultados obtidos para os diagramas de esfor os poss vel prever qual das sec es ser a mais soli
49. anco sendo que o formato deste ltimo apresentava ainda um car cter provis rio Na zona do eixo traseiro foram redesenhados os suportes das chumaceiras e da maxila do trav o de ac o mec nica tornando essas solu es agora mais eficazes e concretiz veis Para tornar esta solu o mais pr xima de um produto comercializ vel era agora necess rio atentar em aspectos mais definitivos como fixa o de todos os componentes essenciais e perif ricos Havia tamb m que melhorar alguns aspectos funcionais visando sempre uma vertente econ mica contida por forma a viabilizar comercialmente o produto final A quarta e ltima solu o revelou se a mais completa em todos os aspectos atr s referidos O problema foi agora abordado com uma vis o de car cter mais definitivo o que resultou nas altera es descritas a seguir Um dos elementos que ainda apresentava alguma dist ncia da realidade era o banco do condutor Nesse sentido foi alterado para um formato mais pr ximo desenvolvido com base no kart de crian a e dessa forma todos os suportes poderiam ser ajustados forma final 33 Depois de realizada essa altera o e tendo por definitivas as dimens es do motor da bateria constatou se que a dist ncia entre eixos do chassis teria de aumentar para que fosse poss vel instalar todos os componentes de uma forma adequada e segura A Figura 26 ilustra a ltima itera o modelada 45 Figura 26 Quarto e ltimo mode
50. anto n o sendo o c lculo destes valores primeira vista muito complexo para determinados tipos de tecnologia n o t o simples como aparenta dado que necess rio considerar diversos valores de efici ncia para fazer tal determina o Na maioria dos casos a bateria projectada para uma determinada autonomia consegue devolver a pot ncia necess ria kW n o s para obter a performance de acelera o desejada como tamb m para superar a inclina o m xima que o ve culo dever conseguir subir a uma determinada velocidade Ir tamb m determinar a velocidade m xima de cruzeiro do ve culo Neste tipo de aplica es as baterias s o regularmente descarregadas e posteriormente recarregadas utilizando a rede el ctrica nacional para maiores per odos de carregamento Assim os ciclos de vida n mero de ciclos carga descarga s o um ponto a considerar e essencial que as baterias cumpram um requisito m nimo A especifica o dos requisitos de armazenamento de energia cr tica para o projecto e para os casos de grupos de propuls o que usam ultracondensadores Estes componentes disponibilizam cargas e descargas efectuadas muito rapidamente poupando a bateria a essas solicita es Estes componentes ser o oportunamente discutidos na sequ ncia do tema Tal como ir ser discutido mais frente o requisito de energia Wh depende fortemente da estrat gia utilizada para controlar a carga e descarga do ultracondensador Par
51. as portas ao desenvolvimento destes ve culos e implementa o de arquitecturas el ctricas avan adas para ir de encontro s exig ncias do aumento de capacidade energ tica Os desenvolvimentos neste campo tamb m v o permitir corresponder s exig ncias de pot ncia el ctrica devido ao aumento do uso de recursos electr nicos para melhorar a performance do ve culo a economia de combust vel n vel de emiss es no caso do ve culo h brido conforto dos passageiros e a seguran a destes Neste sentido em aplica es como steer by wire e brake by wire motores de resposta r pida inversores e sistemas de controlo s o essenciais e dever o ser capazes de operar em ambientes adversos procurando respeitar as caracter sticas indicadas anteriormente A gest o electr nica tipicamente utilizada no controlo de ve culos el ctricos pode ser esquematicamente ilustrada pela figura seguinte Drive Brake Motor speed EV Speed Motor EV speed ECU Motor Accelerator Drive Pedal Regenerative Lighting DC DC breaking ECU Converter Brake request value Voltage 4524 22 23 p Regenerative breaking Power 1 effective value secon RES Relay Voltage current abd Battery Battery temperature ECU d Motor Lighting equipment 8 Figura 14 Aspecto esquem tico do controlo de ve culos el ctricos O sistema de controlo destes ve culos inclui normalmente cinco unidades electr nicas de controlo
52. ase passa pela dobragem dos tubos e perfis que comp em todo o chassis ilustrado na Figura 7 a Estes elementos s o posteriormente colocados nos jigs de soldadura vis vel na Figura 7 b para que dessa forma fique assegurada a garantia de repetibilidade do processo produtivo Posteriormente s o concretizadas as soldaduras atrav s de processos robotizados exemplificado pela Figura 7 c Assim s o reduzidas as probabilidades de ocorr ncia de defeitos nas soldaduras facto muito cr tico neste tipo de aplica o onde a carga din mica muito exigente ao longo de toda a vida til O processo de soldadura utilizado o processo MIG protegendo dessa forma os cord es de soldadura utilizando gases inertes rgon e ou h lio 19 20 2 3 Tecnologia de FSW e Aplica es Uma vez que o material base do novo conceito estrutural apresentado neste projecto uma liga de alum nio ser utilizada a tecnologia de soldadura por fric o linear Friction Stir Welding FSW Dessa forma suporta se a sua vasta gama de aplicabilidade distinguida pelas excelentes caracter sticas finais dos cord es obtidos Este tipo de soldadura surgiu h cerca de 20 anos salientando se desde ent o pela sua apet ncia em realizar liga es de elevada qualidade controlo e garantia de repetibilidade em materiais considerados dif ceis de soldar atrav s dos processos de liga o convencionais Exemplos desses materiais s o o caso das ligas leves com
53. ativa e Tamanho e peso comedidos e Alta fiabilidade e robustez e Pre o vi vel e Boa toler ncia a falhas No caso espec fico de transmiss es indirectas de pot ncia o requisito de velocidade m xima do motor depende da velocidade m xima do ve culo do raio da roda do ve culo e da rela o de transmiss o utilizada J para transmiss es directas de pot ncia o requisito de velocidade m xima do motor apenas depende dos primeiros dois par metros Relativamente s op es de motoriza o existem duas grandes categorias de motores el ctricos separadas pela diferen a do tipo de alimenta o corrente alternada AC ou cont nua DC Na ind stria autom vel tem se verificado o uso mais centrado em quatro tipos de motores sendo eles motores de corrente cont nua com escovas motores trif sicos s ncronos de corrente cont nua com manes permanentes e sem escovas motores trif sicos de indu o ou ass ncronos e motores trif sicos sincronos de relut ncia vari vel 27 29 A escolha do motor el ctrico ir condicionar em grande medida a maior ou menor complexidade na gest o electr nica do ve culo A an lise comparativa entre as op es atr s indicadas pretende salientar as raz es pelas quais s o utilizados esses motores bem como estabelecer par metros comparativos entre eles O anexo 1 ilustra o universo de motores el ctricos dispon veis no mercado salientando em cor verde aqueles que se encontram j
54. cas pretendidas num ve culo el ctrico motor de indu o 18 A Figura 12 ilustra as curvas de pot ncia e bin rio ao longo da de rota o de velocidade de um motor de indu o pretendidas para um ve culo el ctrico Na realidade a zona de pot ncia constante conseguida nestes motores proporcionalmente menor ilustrada A velocidade base a que est associada frequ ncia base nominal do motor atingida no instante em que a tens o de alimenta o iguala o valor nominal sendo tamb m m xima neste caso partir desse ponto apenas se varia a frequ ncia do campo girante do estator 27 28 Posteriormente ser o abordados os diversos tipos de motores utilizados com mais pormenor 2 4 2 Motor El ctrico Crit rios e Op es A selec o de um motor el ctrico uma etapa muito relevante que requer especial aten o na fase de projecto de um ve culo deste tipo De facto a ind stria autom vel continua em busca do motor el ctrico mais apropriado Para que a decis o seja tomada de uma forma coerente e precisa necess rio ponderar diversos aspectos alguns dos quais s o indicados em seguida e Bin rio elevado a baixa velocidade necess rio em arranques e subidas e Pot ncia elevada a alta velocidade necess rio em velocidade cruzeiro e Gama alargada de velocidade em zona de pot ncia constante e Alta efici ncia sobre a gama de velocidade e Alta efici ncia para travagem regener
55. citada Analisando os graficamente a sec o correspondente ao rolamento traseiro direito que aparenta sofrer maior solicita o Para confirmar a previs o anterior foi 66 necess rio determinar um di metro baseado no projecto est tico do veio As rela es utilizadas foram as seguintes 32M 1 Tens es devidas ao Momento Flector Oy EPT _ 16V 2 Tens es devidas ao Esfor o Transverso Ty TU 16 3 Tens es devidas ao Momento Torsor ads TU 4 Tens o de Von Mises J 2 3 ty 17 5 5 Coeficiente de seguran a N 6 Momento flector e esfor o transverso equivalente para uma sec o circular 2 2 2 2 IME My Vea dV 7 Para simplificar os c lculos admitiu se que o veio em estudo longo 1 4 gt 10 sendo dessa forma desprez veis os efeitos do esfor o transverso Depois de manipuladas as express es 4 e 5 e aplicada a simplifica o anterior obteve se a 5 32Mg np nd As tabelas seguintes indicam todos os resultados obtidos e utilizados o c lculo do valor seguinte rela o do di metro do veio no projecto est tico com coeficiente de seguran a de projecto n 2 Dos diagramas de esfor os 633 03 633 03 40 27 120 03 1884 06 1884 06 237 40 0 258 13 258 13 455 95 341 01 1987 56 1987 56 0 57 45 240 79 120 03
56. com essa vis o que foram desenvolvidas algumas das solu es estruturais encontradas e Para que as caracter sticas de adapta o ao crescimento da crian a fossem modeladas de acordo com a altura m dia dos utilizadores foram considerados dados antropom tricos relativos s idades de 6 e 14 anos A Figura 18 ilustra os modelos utilizados com base nos dados atr s referidos 43 1366 Figura 18 Modelos com idades de 6 10 e 14 anos A modela o da estrutura do kart revelou se um processo bastante iterativo complexo e criterioso pelo que no decorrer desta exposi o ser o apresentados os v rios est gios de evolu o e salientadas as altera es que estiveram na base dessa evolu o Para simplificar o processo inventivo inicialmente foram apenas modelados os componentes perif ricos mais cr ticos no que toca ao respectivo posicionamento e atravancamento Dessa forma o investimento temporal no desenvolvimento da solu o era direcionado para a componente estrutural do projecto Estruturalmente a solu o representada pela Figura 20 apresenta uma placa de alum nio 5083 com 5mm de espessura com uma segunda estrutura sobreposta modelada com um perfil oco de sec o quadrangular Nesta fase foi considerado refor ar esse perfil com a inser o de um outro no seu interior mas desta vez de sec o circular O objectivo seria ent o o de aumentar a rigidez torsional do chassis recorrendo a perfis h bri
57. combust o interna 39 51 Existem desde logo caracter sticas que salientam a potencialidade da aplica o dos motores el ctricos como o caso do valor de pot ncia espec fica KW kg O controlador inclu do ref KDZ48401 program vel e garante o controlo suave e seguro deste tipo de motores com escovas Algumas das caracter sticas mais valiosas centram se na componente de seguran a protegendo todo o sistema de excessos de corrente ou tens o A bateria tamb m protegida de correntes indesejadas A sua configura o permite diferentes modos de controlo do motor tornando assim o ve culo final personaliz vel podendo dessa forma ser adaptado a cada condutor espec ficamente Uma outra caracter stica tamb m dispon vel e bastante comum em ve culos el ctricos a vertente opcional de travagem regenerativa Esta op o inverte a polaridade do motor aquando em desacelera o promovendo o seu funcionamento como gerador sendo assim poss vel aproveitar a energia dissipada durante desacelera es e travagens O passo seguinte foi o de proceder escolha da bateria que estava nesta fase limitada por tr s aspectos deveria ser de l tio a tens o aos seus terminais est estipulada para 48V e a sua capacidade ir resultar de um equil brio entre custo peso e autonomia pretendida Em m dia os per odos de utiliza o dos kart dromos rondam os 30 minutos Esse per odo revela se muito exigente fisicamente sendo por vezes a
58. conselhada a troca de condutor aos 15mins Se for tida como refer ncia essa marca temporal e sabendo de antem o o consumo de 100A do motor em regime de carga m xima poss vel obter uma estimativa simples da capacidade Ah necess ria da bateria isto cerca de 25Ah A empresa escolhida China Headway disponibiliza v rias op es ao cliente Existem dispon veis baterias com formatos espec ficos para aplica es em bicicletas motos e at autom veis no entanto existe uma outra op o personaliz vel Nesta ltima o cliente pode adaptar a bateria s suas necessidades quer em termos de caracter sticas el ctricas quer em rela o ao formato desta Esta op o poss vel atrav s da venda de c lulas individuais de bateria de l tio LiFePO4 com 3 2V cada e 10Ah de capacidade Por se revelar a mais adequada s necessidades em causa a op o personaliz vel foi a selecionada 41 que a escolha fosse coerente com o projecto aqui em desenvolvimento era de todo o interesse que o formato final da bateria permitisse manter um baixo centro de gravidade Al m dessa quest o construtiva era absolutamente necess rio que o pack final inclu sse o sistema de monotoriza o das c lulas o j referido BMS Estes dois aspectos foram comunicados ao fornecedor pelo que a bateria terminou com as caracter sticas indicadas na Tabela 6 Caracter stica C lula Conjunto final Capacidade 10Ah 20Ah Tens o 3 2V 48V Te
59. d for the brake and accelerator pedals An electric platform is selected and implemented analyzing its fitment to the concerned needs In order to implement all the electrical components needed specific holders are designed built and assembled in this case for the battery pack DC motor and controller A dynamic behavior analysis is done to better understand the chassis performance on track in several possible situations Within the market this product pretends to increase the return on the investment in this type of offer once its lifetime period is extended up to 8 years per user approximately Along this time range people enjoy the use of a cheaper ecological and with simplified maintenance go kart when compared with common commercially available models The aim of the final product is to promote the improvement of children driving skills and behaviors inside the track as a result competition requirements are not considered at this stage Various innovative fields are therefore explored as the final result aims to be a remarkable one between the market equivalent options KEY WORDS Aluminum Chassis LiFePO4 Battery Adjustable Chassis Go Kart for Children Electric Go Kart DC Motor application vi vii ndice 05 ii ipis EET iv MI vi alo e lt 22554255 viii Lista de f
60. da essa fase pode ser utilizada uma grande corrente de carga neste caso 10A O est gio de corrente constante o mais importante durante o per odo de carregamento uma vez que permite o carregamento desde 596 de SOC at cerca de 9096 Depois desta fase entra se num per odo de tens o constante onde uma pequena corrente imposta s baterias at que estas se encontrem totalmente carregadas Desta forma termina o carregamento garantindo que todas as c lulas do conjunto que perfaz a bateria se encontram todas com a mesma 96 SOC O per odo de descarga realizado a uma corrente constante de 10A pode verificar se pr ximo do per odo estimado que nestas condi es rondaria os 60 minutos 53 O objectivo destes ciclos de carga e descarga assegurar que todas as c lulas actuem de forma semelhante entre si garantindo que a performance da bateria se mant m equilibrada O tempo de vida til indicado pelo fabricante ronda os 2000 ciclos Durante esse per odo de utiliza o ser de esperar uma ligeira perda de performance da bateria Para averiguar essa degrada o s o em seguida apresentados dois gr ficos que demonstram esse andamento para c lulas do mesmo tipo qu mico n o correspondendo noutras caracter sticas c lulas adquiridas Capacidade Normalizada 0 2000 4000 6000 8000 10000 Ciclos de Vida Figura 51 Degrada o da capacidade da bateria em fun o dos ciclos de vida m 90 DOD e
61. da pela Figura 21 procurou se optimizar a quantidade de material utilizado bem como adicionar elementos funcionais e de seguran a Foi removida a estrutura que se sobrepunha ao chassis e adicionadas calhas longitudinais para tornar o ajuste da posi o do banco mais simples 30 Toda a zona de suporte das mangas de eixo foi redesenhada que fosse poss vel obter mais robustez utilizando para isso um bloco de alum nio soldado ao chassis por forma a desempenhar o papel estrutural de nervura Foram tamb m adicionados os pedais ajust veis longitudinalmente ao tamanho da crian a bem como o ajuste angular da coluna de direc o O formato da bateria foi alterado para um poss vel agrupamento das c lulas de l tio individuais entretanto escolhidas para recurso energ tico a utilizar O motor foi recolocado para uma posi o mais conveniente depois de a bateria ocupar agora o espa o dispon vel atr s do banco do condutor para que ficasse protegida de impactos ou detritos projectados durante o rolamento do kart Figura 21 Segundo modelo Vista geral e pormenores Por fim foram ensaiadas as posi es de um bot o de emerg ncia de corte de energia e do encosto de cabe a Para vincar a vertente de pedag gica do kart foi tamb m modelado um pequeno mostrador com diversas fun es auxiliares como exemplo contagem do tempo por volta sistema colorido de luzes indicadoras da posi o do kart em rela o traject ri
62. dades de pot ncia e energia a um pre o compar vel s baterias de NiMH com tend ncia para descer Para que se implementem em ve culos h bridos ainda ter o de ser assegurados per odos de vida til mais longos e para grandes capacidades a engenharia de seguran a priorit ria Estas baterias s o mais complexas electronicamente que os outros tipos de baterias uma vez que necess rio controlo electr nico ao n vel de cada c lula individualmente 38 Para aplica es espec ficas em karts a informa o ainda relativamente limitada entanto nos desenvolvimentos encontrados na bibliografia pode ser verificado que a escolha recai maioritariamente sobre baterias de l tio tipicamente do tipo LiFePO4 Uma das evolu es deste tipo de baterias foi j desenvolvida e aplicada desta feita o tipo LiFeYPO4 S o mais seguras e disponibilizam um maior per odo de vida til at 10 anos Al m destes aspectos a evolu o verificada ao n vel qu mico permite ainda redu o do peso e aumento das correntes de carga e descarga Existem projectos j desenvolvidos com a tecnologia de LiFeYPO4 onde foi conseguida uma capacidade espec fica na ordem dos 6 7Ah kg uma clara diferen a para os valores usuais das baterias de LiFePO4 que podem rondar 1 6Ah kg 39 Ultracondensadores Os ultracondensadores s o uma tecnologia sob desenvolvimento para aplica es em ve culos autom veis desde os anos 90 que permite armazenar
63. de Descarga Depth of Discharge 96 Taxa de carregamento ou descarregamento de uma bateria Ah Ve culo El ctrico Electric Vehicle Ve culo H brido Hybrid Electric Vehicle Unidades Electr nicas de Controlo Electronic Control Units Sistema de Gest o de Baterias Battery Management System Relat rio de avalia o global de seguran a International Center for Technology Assessment xili 1 Introdu o O karting uma actividade desportiva praticada com pequenos ve culos que coloca noutra dimens o a arte de conduzir Sem requerer licen a de condu o est dispon vel a todos os cidad os sem limite de idade experi ncia e habilidade que queiram sentir as emo es do asfalto de uma forma intensa e rica em adrenalina por isso recorrente que a primeira experi ncia de car cter l dico aquando realizada em tenra idade se transforme em algo mais s rio e exigente como o caso da competi o A modalidade com mais de 50 anos de desenvolvimento cresceu com constantes melhorias volta do conceito original o que coloca os karts de hoje num nivel de efic cia muito s lido Contudo as circunst ncias ambientais e econ micas promovem no mercado a busca de novas formas de energias e de novos materiais sempre em direc o a um desenvolvimento ecol gico e sustent vel o que impulsiona o desenvolvimento deste projecto 1 1 Objectivos Este projecto pretende desenvolver um novo conceito estrutu
64. de neuronal mais precisa se o per odo de treino for grande e abranger todas as condi es operativas poss veis 36 42 2 5 Seguran a Uma vez que n o foi encontrada informa o sobre o tema de colis es aplicadas aos karts e com base na semelhan a entre componentes utilizados consideraram se os resultados da pesquisa para os ve culos el ctricos comuns de passageiros Sendo desde logo importante salientar que esses ve culos vieram trazer novas vertentes de an lise de colis es entre ve culos Uma vez que o rg o propulsor dos ve culos el ctricos um conjunto de baterias as colis es de ve culos deste tipo s o diferentes das mesmas nos ve culos tradicionais principalmente devido s altas voltagens praticadas a bordo O relat rio de avalia o global de seguran a International Center for Technology Assessment ICTA indica os problemas mais cr ticos dos ve culos el ctricos em caso de colis o sendo alguns deles risco de inc ndio problemas de queimaduras com vapor calor ou produtos qu micos problemas com choques el ctricos defeitos de fabrico entre outros O estado actual do estudo da seguran a das colis es de ve culos el ctricos A seguran a dos autom veis pode ser dividida em duas categorias seguran a activa e passiva A seguran a activa refere se a tomar medidas precocemente visando evitar colis es A seguran a passiva refere se ao projecto de seguran a do ve culo quer em termos estrutu
65. de um motor de combust o de 125cc com cerca de 40cv que tem acoplada uma caixa de velocidades de 6 rela es Para a convers o foi utilizada a tecnologia dos empilhadores el ctricos nomeadamente o sistema de direc o o monitor o motor de eleva o e respectivo software e controlo O resultado de todo o know how envolvido por demais evidente sendo que o ve culo conseguiu atingir cerca de 100km h em 3 45 segundos O motor el ctrico de corrente alternada com uma pot ncia de pico a rondar os 50kW cerca de 68cv alimentado por uma bateria de l tio com 96V atrav s de um inversor de frequ ncia O peso final ronda os 160kg sem condutor atingindo uma velocidade m xima de 120km h 14 O conceito de ve culo el ctrico aplicado ao karting esta em expans o pelo que j se encontram alguns exemplos de kart dromos com frotas el ctricas e at j se verifica a realiza o de campeonatos principalmente no estrangeiro Exemplo disso o campeonato ERDF Masters Kart realizado em Fran a Nesta competi o s o utilizados chassis de competi o de ltima gera o movidos por motores el ctricos de corrente alternada com 65 com uma pot ncia a rondar os 20kW cerca de 27cv As baterias s o de n quel cobalto e mangan s conhecidas pela sua alta capacidade de descarga Na sua configura o competitiva a autonomia destes karts de cerca de 15 minutos com um tempo de carga de 30 minutos As velocidades atingidas rondam
66. do chassis que serviria de base aos restantes componentes Durante esta fase de desenvolvimento foi disponibilizado um usual de tamanho de crian a para uso acad mico no mbito deste projecto Esta base demonstrativa veio a revelar se muito produtiva em termos de aprendizagem de conceitos j desenvolvidos e aplicados melhorando em muitos aspectos a vis o construtiva de um ve culo deste tipo Nesse sentido a terceira itera o sofreu altera es j influenciadas pelo conhecimento acumulado atrav s da observa o cr tica de alguns dos aspectos construtivos mais pertinentes do kart de demonstra o Figura 24 Opera es de soldadura por FSW 32 Na Figura 25 s o j vis veis alguns dos componentes definitivos do final tais como a modela o escala real da bateria de c lulas de l tio e do motor el ctrico entretanto adquiridos incluindo tamb m o potenci metro em forma de pedal Figura 25 Terceiro modelo Vista geral e pormenores Os pedais da solu o anterior foram substitu dos por outros resultantes do referido corte optimizado da placa de alum nio e foi depois ensaiada uma nova solu o de ajuste longitudinal para 05 mesmos Para conferir mais robustez no que toca flex o do chassis na direc o transversal foram adicionados perfis tubulares na direc o longitudinal permitindo dessa forma aliar o incremento de resist ncia flex o possibilidade de ajuste da posi o do b
67. dos refor ados e soldados por FSW A Figura 19 procura ilustrar simplificadamente essa ideia 29 o Figura 19 Perfil h brido soldado por FSW Nesta fase ainda n o havia sido tomada a decis o final do tipo de bateria a utilizar pelo que foram utilizadas as dimens es de uma bateria de chumbo O motor foi colocado atr s do banco do condutor para considerar a hip tese de adicionar uma segunda bateria Dessa forma a distribui o de peso do Kart seria aproximadamente sim trica aumentando tamb m a sua autonomia As dimens es do motor foram recolhidas da empresa Lynch Motor Company 44 uma vez que era uma das hip teses a considerar ainda sem ser conhecido o custo de aquisi o associado ao componente em particular A coluna de direc o ajust vel em comprimento foi tamb m introduzida no entanto o ajustamento angular em rela o ao plano horizontal do chassis encontrava se ainda em desenvolvimento Figura 20 Primeiro modelo in cio do desenvolvimento estrutural Esta primeira solu o foi sujeita a melhorias principalmente porque fazia uso desnecess rio de material em determinadas zonas e mostrava fragilidades construtivas em componentes cr ticos como direc o e suporte do eixo traseiro Al m disso a estrutura sobreposta placa dificultava a afina o da posi o do banco em termos longitudinais e interferia com a posi o dos bra os do condutor durante a condu o Na segunda solu o ilustra
68. dual e da bateria 42 Tabela 7 Resumo dos custos de aquisi o do equipamento el ctrico 55 Tabela 8 Resumo dos custos de aquisi o de produtos 56 Tabela 9 Resumo dos custos dos consumos energ ticos reatar 56 Tabela 10 Esfor os nos rolamentos e nas extremidades do 67 Tabela 11 Valores obtidos atrav s das 68 Tabela 12 Valores recalculados para o di metro m nimo sse 68 Tabela 13 Valores obtidos atrav s das rela es 70 Tabela 14 Valores utilizados para o c lculo da tens o limite de 71 Tabela 15 Valores obtidos para o c lculo do di metro do veio 71 xii Lista de Abrevia es FSW AC DC Cr Mo MIG MRV kWh SOC DOD EV HEV ECU BMS ICTA Friction stir welding Corrente Alternada Corrente Continua Cr mio Molibd nio Tipo de soldadura aplic vel a metais n o ferrosos com g s de protec o inerte Motores de Relut ncia Vari vel Energia Kilowatt hora Estado de Carga State of Charge 4 Profundidade
69. dund ncia incorporada no ve culo el ctrico para que este possa operar at que a manuten o seja efectuada No entanto o n vel de redund ncia poder subir mas acompanhado de um elevado custo O facto de os motores de relut ncia vari vel serem naturalmente tolerantes a falhas torna os muito apelativos No que toca seguran a e fiabilidade os motores de relut ncia vari vel s o superiores em rela o aos restantes tr s tipos Sumariamente depois de avaliados os quatro tipos de motores pode concluir se que os de relut ncia vari vel s o a escolha mais equilibrada para aplica es autom veis ao n vel industrial balanceando os crit rios de efici ncia peso custo velocidade m xima toler ncia a falhas seguran a e fiabilidade 27 32 2 4 3 Tecnologias de Armazenamento de Energia As tecnologias de armazenamento de energia que tem vindo a ser utilizada em ve culos el ctricos centra se no uso de baterias recarreg veis e de ultracondensadores Estas unidades podem ser recarregadas atrav s dos motores el ctricos dos ve culos aquando do seu funcionamento como geradores ou atrav s da rede de energia el ctrica Estes s o os elementos que fornecem energia ao sistema de propuls o do ve culo sendo que a fun o principal dos ultracondensadores acautelar situa es de exig ncia repentina de pot ncia gt Requisitos das unidades de armazenamento de energia As unidades de armazenamento de energia dev
70. e culos el ctricos num patamar muito competitivo em rela o s op es equivalentes de combust o interna 56 6 Conclus es e Trabalho Futuro 6 1 Conclus es O desenvolvimento pr tico conseguido ao longo deste projecto veio a revelar se numa primeira etapa de um processo de convers o estrutural A adapta o do ve culo ao crescimento da crian a foi colocada em pr tica Foram concebidos constru dos e aplicados os sistemas de ajuste dos pedais do trav o e acelerador Com base numa extensa pesquisa sobre as v rias op es de motoriza o dispon veis bem como sobre componentes de armazenamento de energia e gest o electr nica foi seleccionada adquirida testada e implementada uma plataforma el ctrica funcional Foram efectuados testes de bancada com v rias configura es electr nicas Depois de averiguadas as condi es de seguran a e de funcionalidade de todos os componentes foram tamb m efectuados testes em condi es reais em pista Foram concebidos constru dos e aplicados todos os suportes necess rios instala o dos componentes da plataforma el ctrica especificamente para o motor bateria e controlador Para o fabrico deste ltimo foram utilizadas t cnicas avan adas de fabrico nomeadamente recorrendo ao processo de soldadura por FSW Foi desenvolvido um sistema de fixa o adaptado s caracter sticas das pe as a soldar neste caso para executar um cord o de soldadura com geometria em T
71. e amea a poluente do meio ambiente o processo de aquisi o da bateria envolveu burocracia relacionada com a gest o do ciclo de vida 42 desta Para que fosse poss vel importar a bateria houve a necessidade de submeter essa gest o a uma entidade competente de acordo com o previsto no n 2 do artigo 23 do Decreto lei 6 2009 Era poss vel optar por uma de duas op es a Ag ncia Portuguesa do Ambiente ou em alternativa a empresa Ecopilhas No primeiro caso o importador deveria demonstrar cumprir com as obriga es previstas para o sistema integrado de reciclagem ao passo que no segundo caso essa responsabilidade transferida para a empresa mencionada ficando essa respons vel pela gest o integral do ciclo de vida das pilhas importadas A op o recaiu sobre a empresa Ecopilhas que reconheceu mediante contrato que o Instituto de Engenharia Mec nica IDMEC cumpria com as obriga es decorrentes no Decreto lei n 6 2009 de 6 de Janeiro no que respeita ao Registo de Produtores de Pilhas e Acumuladores atrav s do registo nessa entidade tendo sido atribu do o n mero de Produtor ECO121 2011 3 2 Fases de Desenvolvimento 3 2 1 Plataforma El ctrica Ap s a recep o dos componentes el ctricos e electr nicos foi dado in cio ao processo de verifica o do seu estado e consequentemente montagem dos mesmos Era portanto necess rio montar uma bancada de testes a qual foi iniciada com o fabrico do suporte do motor el c
72. e concretizar materialmente e na ntegra o novo conceito de chassis opta se por marcar o in cio da convers o estrutural a partir de um chassis comum Visando a adapta o do ve culo ao crescimento progressivo de crian as s o concebidos constru dos e aplicados sistemas de ajuste din micos com varia o da sua posi o longitudinal como s o o caso do pedal do trav o e acelerador No campo da motoriza o selecciona se uma plataforma el ctrica implementa se e analisa se a sua adequa o s necessidades em causa Para comportar todos os componentes associados plataforma el ctrica s o tamb m concebidos constru dos e aplicados os suportes da bateria motor e controlador Para uma melhor compreens o dos fen menos que ocorrem durante a descri o das formas de uma pista comum desenvolve se uma an lise do comportamento din mico do kart em diversas situa es poss veis Este produto visa aumentar a rentabilidade do investimento neste tipo de oferta aumentando o intervalo de tempo til do produto para um per odo aproximado de sete anos Durante esse per odo os utilizadores poder o usufruir dos ve culos de uma forma mais econ mica ecol gica e simplificada no mbito da manuten o quando comparados com os modelos actuais mais comuns O objectivo do produto final est centrado nas componentes pedag gicas comportamentais e de lazer da perman ncia em pista n o sendo por isso consideradas nesta fase de desenv
73. e l tio pol mero usada uma malha polim rica para separar o c todo do nodo e o electr lito gelatinoso ao inv s de l quido Esta constru o menos prop cia a incendiar se que as baterias de l tio usuais sendo portanto mais seguras At h bem pouco tempo as baterias de l tio pol mero exigiam um processo de produ o mais complexo quando comparado ao das baterias com electr lito do tipo aquoso No entanto com a evolu o dos processos produtivos este tipo de tecnologia mostrar se mais dispon vel no mercado de ora em diante 33 Existem alguns termos que poder o ser empregues para melhor caracterizar os aspectos funcionais das baterias e s o eles O estado de carga SOC state of charge uma express o da capacidade actual da bateria em rela o capacidade m xima registada no ltimo ciclo carga descarga Tipicamente este valor calculado usando um c lculo integrativo da corrente para determinar a varia o da bateria ao longo do tempo 34 Profundidade da descarga DOD depth of discharge trata se da percentagem de capacidade da bateria que j foi descarregada medida em percentagem em rela o m xima capacidade do ltimo ciclo carga descarga Taxa a taxa de carregamento ou descarregamento de uma c lula de bateria expressa em termos da capacidade total em Ah Como exemplo uma taxa de 1 traduz a transfer ncia de toda a energia armazenada no per odo de uma hora Se a
74. egen starts just after throttle released You may disable it by dragging the slider to the leftmost position Brake switch or brake sensor isn t required for the mode The mode is only available for firmware version 0209 or later 4 Max regen current with max signal from brake sensor 5 It s to vary regen on time Please choose Not Used if analog brake sensor isn t used You have to turn on brake switch to start the regen then vary the regen with the signal Brake Sensor Type is the same as Throttle Sensor Type Cancel Previous Finish Figura 48 Exemplos de janelas de configura o de controlo 51 Com base nesta ilustra o poss vel observar algumas caracter sticas de controlo nomeadamente relacionadas com sobre e sub voltagens da bateria sensibilidade do potenci metro pedal acelerador Numa outra etapa as op es relacionadas com a regenera o de energia durante a travagem ou desacelera o nomeadamente o modo de in cio de regenera o limite de corrente entregue bateria e configura o de um poss vel sensor implementado no pedal do trav o A configura o utilizada para testes em pista foi regida por uma estrat gia de seguran a muito semelhante configura o dos testes de bancada As principais diferen as entre as duas configura es centram se na actualiza o do accionamento da fun o de acelera o para o potenci metro na forma de pedal e ajuste da sensibilidade do
75. er o estar projectadas para armazenar uma determinada quantidade de energia kWh suficiente para providenciar picos de pot ncia adequados para que o ve culo cumpra uma performance espec fica de acelera o assegurando tamb m a 16 capacidade de cumprirem com determinados ciclos de condu o reais A utiliza o c clica destes componentes estar directamente relacionada com os respectivos per odos de vida til maiores ou menores sendo este outro dos aspectos considerados na fase de projecto do ve culo Estes requisitos v o variar significativamente dependendo do tipo de tecnologia utilizado isto se se trata de um ve culo totalmente el ctrico com pilha de hidrog nio ou h brido Uma das dificuldades na fase de projecto estabelecer um equil brio entre os requisitos de peso volume e custo das unidades de armazenamento de energia dado que existem limites peso custo volume que poder o direccionar ou n o o projecto para o sucesso comercial Impor limites pr ticos para atingir concep es funcionais portanto uma tarefa complexa No caso de um ve culo totalmente el ctrico a capacidade da bateria pode ser especificada para cumprir com uma determinada autonomia do ve culo O peso e o volume da bateria poder o ser calculados atrav s de uma estimativa do consumo de energia Wh km do ve culo e da densidade de energia Wh kg da bateria descarregada durante o ciclo de teste adequado pot ncia vs tempo No ent
76. es br pdf Acedido em Agosto 2012 31 A F Burke Batteries and Ultracapacitors for Electric Hybrid and Fuel Cell Vehicles Proceedings of the IEEE Vol 95 No 4 Abril 2007 32 Vitols Reinberg A Sokolovs 1 Galkin Drive Selection for Electric Kart em Power Electronics and Motion Control Conference Maced nia Setembro de 2010 33 F P Tredeau Evaluation of Lithium Iron Phosphate Batteries for Electric Vehicles Application IEEE 2009 34 W C 1 2005 Electropaedia Battery and Energy Technologies State of Charge Determination Online Available http www mpoweruk com soc htm Acedido em Setembro 2012 35 J L James Larminie Electric Vehicle Technology Explained John Wiley amp Sons Ltd 2003 36 A B G F P G e C T Antonio Affanni Battery Choice and Management for New Generation Electric Vehicles Transactions on Industrial Electronics No 5 vol 52 Outubro de 2005 37 A Khaligh Battery Ultracapacitor Fuel Cell and Hybrid Energy Storage Systems for Electric Hybrid Electric Fuel Cell and Plug In Hybrid Electric Vehicles State of the Art IEEE Transactions on Vehicular Technology No 6 vol 59 Julho de 2010 38 G May Battery Options For Hybrid Electric Vehicles em Hybrid Vehicle Conference Coventry Dezembro de 2006 39 L Streit Concept of electric kart with LiFeYPO4 batteries em 2011 International Conference on Applied E
77. esentar uma frequ ncia vari vel Assim a fonte de corrente cont nua mas atrav s de inversores de frequ ncia incorporados entre outro equipamento electr nico esta transformada em alternada trif sica Estes motores s o os mais eficientes das restantes alternativas o bin rio elevado a baixas rota es e diminui medida que a velocidade aumenta Uma desvantagem por exemplo o pre o comparado aos outros tipos de motor gt Os motores ass ncronos ou de indu o em vez de utilzarem manes permanentes a corrente induzida ao rotor para criar um man tempor rio s o escolhidos para este tipo de ve culos devido sua simplicidade robustez manuten o reduzida e grande gama de velocidade No entanto o controlo destes mais caro do que os motores DC Existem tr s par metros que podem ser manipulados no intuito de variar a sua velocidade sendo eles a frequ ncia da tens o de alimenta o o n mero de p los e o escorregamento Actualmente o m todo mais eficiente reside na utiliza o de inversores de frequ ncia Estes inversores transformam uma tens o de amplitude e frequ ncia constantes numa tens o de amplitude e frequ ncia vari veis Variando se a frequ ncia da tens o de alimenta o varia se tamb m a velocidade do campo girante do estator e consequentemente a velocidade de rota o da m quina O tamanho de um motor de indu o geralmente maior quando comparado com um motor de manes permane
78. eyseat L4 Retaining ring groove 5 0 3 0 5 0 Ab Notas Sobre Tens es Normais e de Corte M dias e Alternadas Dado que o veio se encontra em rota o as tens es numa mesma fibra n o s o constantes Como o carregamento respectivo ao momento flector permanece inalterado em rela o ao sistema de eixos as tens es normais m xima e m nima s o sim tricas R Omin Omax 1 e surgem mesma fibra a cada meia rota o Deste facto resultam tens es normais m dias iguais a zero e tens es normais alternadas diferentes de zero Para o caso da tor o como o carregamento se mant m constante em cada sec o do veio as tens es de corte m dias v o igualar se s tens es de corte m ximas e por outro lado as tens es de corte alternadas ser o iguais a zero As express es a seguir podem confirmar o que foi dito acima e M 2 Med ag amin da 2 e M Meq maxtMedmin Im 0 2 T Tuer mr x 15 Tmaxt T min 2 78 6 Dimensionamento da Chaveta As dimens es da chaveta a utilizar s o apresentadas na tabela que se segue e foram recolhidas da tabela 7 6 de 1 Dimens es da chaveta Comprimento mm h Altura mm b Largura mm Profundidade no veio mm O material tem menor tens o de ced ncia que o material do material do veio para que a chaveta funcione como fus vel O material escolhido apresentado na tabela seguinte 490 MPa 590 MPa Ssy 0 5775 Von mises 283
79. fazendo uso de potenci metros e actuadores com accionamento remoto Desenvolver sistema did ctico indicativo da correcta posi o em pista tendo como refer ncia a linha de traject ria ideal Desenvolver um sistema de controlo remoto do kart permitindo actuar por wireless ou IR na configura o electr nica do ve culo quer para aux lio quer para a manuten o de boa pr tica comportamental dentro da pista Desenvolver an lise tecnol gica comparativa com op o h brida Melhorar a protec o contra vibra es impostas aos componentes el ctricos e electr nicos mais sens veis Desenvolver sistema anti inc ndio Ponderar bot o de actua o r pida para accionar a extin o do inc ndio fazendo uso de condutas com localiza o programada Explorar afincadamente o controlo electr nico do conjunto Conseguir estabelecer parecerias visando impulsionar as restantes fases do projecto 58 7 Bibliografia 1 A hist ria do Kart Online Available http www viruskart com curiosidades historia htm Acedido em Agosto 2012 2 Infop dia Enciclop dia e Dicion rios Porto Editora Karting Online Available http www infopedia pt Skarting Acedido em Agosto 2012 3 Kart dromo Cabo do Mundo Online Available http www kartodromocabomundo net Acedido em Agosto 2012 4 J M N Botelho e A M d F Dias PROJECTO KidART Instituto Superior T cnico Lisboa 2006 5
80. for as e momentos em O segundo o eixo transversal do kart que passa nesse ponto referente apenas ac o da for a de in rcia de travagem aplicada no centro de massa do kart tem se gt gt 0 Rrrr 0 Rrrr gt Ripe My a b 471 04 1 045 450 76N gt R rr 450 76N 73 Uma vez que gt Tem se gt A3 Rirr Rirre Rirre Rirre Rirr 2 225 38N C lculo dos Diagramas de Esfor os Para a formula o a estabelecer em seguida adoptou se a seguinte conven o gt gt gt O esfor o normal de trac o N positivo sendo negativo o de compress o Os esfor os de corte V e V s o positivos quando actuam na face positiva da sec o transversal segundo o sentido de y e z crescentes respectivamente O bin rio de tor o T positivo quando provoca a rota o no sentido contr rio aos ponteiros do rel gio de y para z para a face positiva da sec o transversal O momento flector M positivo quando provoca trac o nas fibras do lado positivo do eixo 2 O momento flector M positivo quando provoca trac o nas fibras do lado positivo do eixo 2 0 V Figura 2 1 Conven o de sinais adoptada Do equil brio de for as e momentos para o plano xy tem se 1 0 Rrpx 2Fc roda 0 Rrpx 2Fc roda 876 16N Q5 0 Rucre
81. ia elemento encarregue de transmitir ao veio a rota o imposta pelo motor em x 0 864m Dado este facto a sec o cr tica poderia deixar de coincidir com a determinada no projecto est tico relembre se sec o onde se encontra o rolamento traseiro direito Foram assim desenvolvidos os c lculos para determinar qual a sec o cr tica associada ao projecto fadiga com base nos quais se determinou que a nova sec o cr tica se localizava na zona do escatel da polia Sec o s escatel Sec o c escatel 0 824 0 864 0 0 0 75 0 0 0 85 1 0 2 2 1 0 3 0 1 0 1 9 1 0 2 7 0 00 0 00 48 37 66 71 u MPa 25 92 69 99 4 MPa 0 00 0 00 Mpa 48 37 66 71 m Mpa 44 90 121 23 M N m 240 79 174 81 Mm 0 00 0 00 T 0 00 0 00 Tm 258 13 258 13 0 0310 0 0370 T fag 3 40 2 00 Nest 8 03 9 30 Tabela 16 Valores obtidos para o c lculo do di metro do veio fadiga 71 Notas de Projecto Toda a an lise desenvolvida at aqui foi baseada em par metros estimados Devido a esse facto foi desde in cio acautelado o sobredimensionamento das solicita es em causa por exemplo associando esfor os envolvidos durante uma travagem exig ncia din mica da descri o de uma curva Note se por m que numa aplica o real e se se verificasse a aplica o no prot ripo em causa n o s o previstas solicita es de
82. ificado que os sistemas de fixa o standard eram inadequados para esta aplica o em particular Todo este processo revelar se ia complexo e moroso comprometendo a execu o de todo o restante trabalho a desenvolver posteriormente especificamente teste de par metros de soldadura e execu o final dos cord es Este est gio do projecto viria a dar origem ao catapultar da abordagem ao problema para uma outra forma de actua o Verificado todo este envolvimento foi contactado o Eng Jo o Santos colaborador na empresa Sport Kart detentor de um vasto conhecimento te rico e pr tico sobre o Karting Depois de debatidos o novo conceito estrutural a tecnologia el ctrica entretanto adquirida e as circunst ncias temporais e monet rias foi atingida uma solu o consensual visando prioritariamente a concretiza o material de conhecimento adquirido A solu o encontrada passaria por considerar a aquisi o de uma base estrutural de um comum que permitisse o desenvolvimento el ctrico e electr nico previstos projectando a convers o estrutural para alum nio para um processo faseado Desta forma o risco associado a toda a envoltura seria menor aumentando as probabilidades de sucesso referentes ao resultado estrutural garantindo de antem o que o suporte tecnol gico el ctrico seria funcional Uma base estrutural foi posteriormente adquirida marcando o in cio do processo de transforma o implementando se todos os compo
83. iguras erede ix ee tr n erbe dise ee Ert Da ieu debct eem ere n erbe dia X Lista de tabel s 5 nene ig eiat eme een xii Lista de ADreViaGGe DE xiii T IntroduGao duree tees rb Seth irre epe tete tea e te eere eee o tete ade tede lere theres tede bd Se opera 1 1 1 ObJectiVOS eek mtem e i etiem enne ei imde nd 1 1 2 Enquadramento HistOric0 c ccccccesscceessscececsssceeecsseeececsseceeeesseeecscassececsesececsesaecsesesaeeeeseeaeess 2 1 3 Caracteriza o do Produto e Enquadramento de 3 1 48 Estrutura da Teses iecit reete e cde ted ee ed Sua e a ia vade 3 2 Estado da edi Ro e deber ica itt e ead ii 5 24 nte Dp Re ex ee n n Ee De td en 5 2 2 Tecnologias de Fabrico Aplicadas na Produ o de Chassis 9 2 3 Tecnologia de ESW e Aplicaco8s ita cete eere ett TR NEEE 9 2 4 Tecnologia dos Ve culos El ctricos nnnns 11 2 4 1 propuls o n Re e eiie dei fes ve E e E 12 2 4 2 Motor El ctrico Crit rios e 14 2 4 3 Tecnologias de Armazenamento de Energia esses enne 16 2 4 4 Controlo Electr nico e Gest o das Fontes de
84. ilizada a caixa de testes de bancada que permitiria ligar e desligar o conjunto acelerar travar e inverter a rota o do motor Acontece por m que durante a verifica o da correcta posi o dos contactos na ficha do controlador verificou se que a informa o de output do controlador que constava no manual n o correspondia numera o indicada fisicamente junto da ficha Este aspecto revelou se de morosa resolu o uma vez que a verificar se que a ordem dos contactos n o era a correcta poderiam surgir problemas indesej veis que afectassem o bom funcionamento do controlador O seu esclarecimento era portanto imprescind vel Depois de efectuar engenharia inversa e de recorrer ao contacto com o fornecedor constatou se que se travava de uma forma de encripta o Com toda a informa o reunida foram efectuadas todas as liga es correctamente caminhando assim para a realiza o segura do primeiro ensaio da maioria dos componentes 44 Figura 36 Montagem experimental do primeiro ensaio Neste est gio de prepara o do primeiro ensaio era por fim necess rio verificar a tens o aos terminais da bateria verifica o que viria a devolver uma tens o superior aos 48V inicialmente previstos correspondentes diferen a de potencial exigida aos terminais do motor Esse facto n o se revela gravoso se a diferen a registada n o for al m dos 10 ou 15 Nesse sentido uma vez que os valores medidos se encontravam dentro desse
85. lectronics Pilsen Rep blica Checa Setembro de 2011 40 B Maher Maxwell Technologies White Paper Ultracapacitor and the Hybrid Electric Vehicle Maxwell Technologies Inc 9 Abril de 2009 41 A B C C F E L C T A Affanni EV Battery State of Charge Neural network based estimation em Electric Machines and Drives Conference Madison Wisconsin Estados Unidos 61 da Am rica Junho 2003 42 K Cheng B Divakar H Wu K Ding e H F Ho Battery Management System BMS and SOC Development for Electrical Vehicles IEEE Transactions on Vehicular Technology Vol 60 No 1 Janeiro de 2011 Outubro 2010 43 R Tilley e H D Associates The Measure of and Woman Human Factors in Design Estados Unidos da Am rica John Wiley amp Sons 2002 44 Lynch Motor Company Online Available http www Imcltd net index php page motors and generators 2 Acedido em Mar o 20111 45 Federa o Portuguesa de Automobilismo e Karting Regulamento T cnico Nacional de Karting 2012 Online Available www fpak pt Acedido em Abril 2012 46 F P d A e Karting Recomenda es para Karting de Lazer 2012 Online Available http www fpak pt REG 2012 regulamentos_2012 htm Acedido em Setembro 2012 47 Siemens Online Available https www automation siemens com Acedido em Marco 2011 48 ABB Portugal Online Available http
86. lita o carregamento e o descarregamento em seguran a a um n vel de controlo que promove a extens o e protege a vida da bateria 24 Uma estimativa precisa do SOC previne danos na bateria o seu r pido envelhecimento No entanto a obten o deste par metro complexa uma vez que se v afectado da efici ncia da bateria e das temperaturas geradas pelas reac es qu micas durante o funcionamento Existem v rias formas de calcular o SOC por exemplo atrav s de modelos emp ricos estat sticos ou atrav s de modelos de intelig ncia artificial Os m todos cl ssicos passavam por medir a carga j extra da a imped ncia interna da bateria ou voltagem da bateria sem carga aplicada mas nenhum deles isoladamente poderia ser manipulado de forma a devolver resultados concisos Pode ser feita uma aproxima o razo vel procedendo ao descarregamento total da bateria n vel este que atingido quando a bateria deixa de conseguir alimentar o sistema a que est ligada No entanto o n vel m ximo de carga deteriora se com o tempo Esta degrada o considerada por alguns autores linear ao longo do tempo se o descarregamento ocorrer com um perfil peri dico de corrente 41 Com base nessa aproxima o proposta por alguns autores uma rede neuronal mapeada como uma fun o da imped ncia da bateria carga extra da e voltagem da bateria em aberto dados recolhidos pelos sensores implementados Naturalmente a estimativa da re
87. lo Vista geral e pormenores Nesse sentido a largura do chassis foi tamb m aumentada para que fosse poss vel albergar a bateria ao lado esquerdo do condutor devidamente protegida Para tornar o projecto concretiz vel em tempo til dentro dos recursos dispon veis estava equacionada a possibilidade de transfer ncia de alguns componentes do kart de crian a para o novo chassis De salientar que a componente pedag gica e de lazer n o sairiam afectadas com essa decis o No entanto com estas ltimas altera es era necess rio garantir que por exemplo o veio do kart de crian a suportaria os esfor os associados ao comportamento do chassis em pista Essa foi a motiva o para o desenvolvimento de uma an lise do comportamento din mico do kart dispon vel na sec o 3 1 2 Ainda relativamente aos melhoramentos efectuados esta itera o inclu ra tamb m a placa que portadora do controlador e dos interruptores de contacto principal e de invers o de sentido de rota o do motor el ctrico Foram tamb m explorados e aperfei oados os ajustes longitudinais dos pedais permitindo ajustes r pidos e seguros Mantendo o reaproveitamento de componentes ambos os pedais do kart de crian a esquerdo e direito foram modelados e instalados para actuarem o trav o mecanicamente mantendo um deles fixo e o segundo com a possibilidade de altera o da dist ncia em rela o ao primeiro 34 O apoio inferior da coluna de direc
88. m exigindo uma boa prepara o f sica por parte do condutor essencial o piloto conhecer toda a mec nica e os seus pontos de afina o para atingir o seu melhor desempenho 1 2 3 4 1 3 Caracteriza o do Produto e Enquadramento de Mercado O produto em desenvolvimento neste projecto um ve culo el ctrico para pr tica de Karting de lazer constru do sobre uma base de alum nio abandonando a estrutura tubular t pica de uma liga de a o cr mio molibd nio Com essa altera o poder o vir a ser explorados novos aspectos quer relacionados com a redu o de peso quer com o ciclo de vida do chassis uma vez que a reciclagem do alum nio ilimitada no n mero de ciclos sem degrada o de caracter sticas do material A motoriza o utilizada neste produto disp e de um enorme potencial uma vez que permite diversas configura es de controlo que ir o proporcionar um ajuste mais detalhado e adaptado s caracter sticas e objectivos do condutor O kart projectado insere se como j foi referido numa actividade acess vel a pessoas de todas as idades n o exigindo licen a de condu o Verificada essa liberdade existem duas formas de usufruir deste produto ou de uma forma pessoal com a aquisi o de um kart pr prio ou recorrendo ao mercado de aluguer dispon vel na maioria dos kart dromos De um lado existe a maior viabilidade do investimento realizado na aquisi o de um kart particular A capacidade de ada
89. m produto funcional muito interactivo e personaliz vel salientando se de entre as op es equivalentes dispon veis no mercado n o s pelo custo de utiliza o e manuten o mas tamb m pela sua versatilidade em adaptar se a um vasto leque et rio de utilizadores No entanto as caracter sticas do tipo de baterias utilizadas registam j no mercado 57 novas melhorias verificando se um aumento na autonomia praticada que poder despertar interesse comercial para este tipo de ve culo equipado com tecnologia el ctrica 6 2 Trabalho Futuro Na sequ ncia do desenvolvimento de um produto com potencial comercial s o indicadas em seguida algumas melhorias que poder o ser implementadas para complementar outras vertentes do objectivo final ON Y Desenvolver a componente de seguran a ao n vel el ctrico e electr nico do ve culo Ponderar a substitui o do tipo de bateria de LiFePO4 por LiFeYPO4 dispondo de um aumento de autonomia cerca de quatro vezes superior Implementar sensores no ve culo para controlar dados como velocidade instant nea temperatura do controlador motor e pneus Alterar os indicadores de tens o e corrente anal gicos para equivalentes digitais Fazer uso de transdutores de corrente para aumentar o rigor do valor lido de corrente Explorar afincadamente as potencialidades de configura o electr nica Adaptar o modo de controlo do kart para crian as com defici ncias motoras
90. ma el ctrico 45 Figura 36 Montagem experimental do primeiro ensaio serrana 45 Figura 38 Estado inicial do kart adquirido nas instala es do Kart dromo de F tima 46 Figura 39 Aspecto do kart adquirido com os componentes el ctricos e electr nicos instalados 47 Figura 40 Sistema de ajuste do near aaa nana 47 Figura 41 Sistema de ajuste do pedal do trav o eee 48 Figura 42 Suporte do motor el ctrico 48 Figura 43 Suporte da bateria 48 Figura 44 Suporte do Controlador 49 Figura 45 Desenvolvimento de cord o de soldadura por 49 Figura 46 Aspecto final do suporte do controlador sse 50 Figura 47 Posi es Superior e Inferior de Ajuste da Coluna de Direc o 50 Figura 48 Exemplos de janelas de configura o de 51 Figura 49 Mostradores com indica o de Tens o e Corrente 52 Figura 50 Andamento da corrente e tens o d
91. nacional do Autom vel Dois anos mais tarde formava se a Comiss o Internacional de Karting a autoridade principal da modalidade primeiramente na Europa e depois no mundo A modalidade chegou a Portugal no princ pio dos anos 60 e inicialmente era praticado nos parques de estacionamento ou em pracetas Os primeiros kart dromos foram constru dos a partir de 1963 sendo que o mais antigo ainda em funcionamento o kart dromo Cabo do Mundo em Matosinhos foi fundado em 1979 O ano de 1991 foi onde se verificou uma maior projec o da actividade ficando mais acess vel a todos os cidad os Hoje em dia existem em Portugal karts muito avan ados representa es de todas as marcas da modalidade e mais de 30 kart dromos distribu dos por todo o pa s O Karting evoluiu t o consistentemente que se tornou na melhor das escolas de forma o para jovens pilotos havendo j lan ado nobres nomes da F rmula 1 como Nelson Piquet Ayrton Senna Nigel Mansell e Alain Prost Oficialmente com base em regulamentos desportivos o Karting uma actividade que pode ser praticada a partir dos 5 anos de idade Desta forma existem karts no mercado com diferentes dimens es de chassis associados faixa et ria ou morfologia do piloto Os modelos mais comuns apesar de ve culos que n o incluem componentes de controlo electr nico sofisticados permitem diversos acertos e afina es mec nicas assemelhando se muito a um f rmula em acelera o e travage
92. ndicularidade entre a direc o de laminagem da placa a utilizar e a direc o do eixo de dobragem da opera o de quinagem Foram tamb m evitadas caracter sticas morfol gicas das pe as a construir inadequadas s ferramentas de corte por arranque de apara dispon veis nos equipamentos e Depois de reunidos todos os componentes necess rios montagem sucedem se as opera es de soldadura Como tal existem aspectos f sicos que limitam a realiza o de determinados cord es de soldadura Nesse sentido a modela o efectuada procurou ajustar se construtivamente s caracter sticas do cabe ote m vel da m quina de soldadura Para conferir graficamente a possibilidade de execu o dos cord es de soldadura necess rios foi modelado o cabe ote m vel da maquina em SolidWorks vis vel na Figura 17 Desta forma e conhecendo a dimens o espacial do Figura 17 Modela o 3D do cabe ote m vel da m quina de soldadura FSW 28 plano de trabalho da m quina era poss vel com maior facilidade avaliar a capacidade execu o dos cord es de soldadura e maior parte dos componentes perif ricos do kart requerem pontos de apoio espec ficos e est o colocados estrategicamente por diversas raz es de funcionalidade por exemplo ou at de equil brio din mico contribuindo para uma conveniente distribui o de peso Algumas das solu es existentes nos chassis comuns aliam a componente funcional estrutural Foi tamb m
93. nentes el ctricos e electr nicos adquiridos 3 1 2 An lise de Comportamento Din mico Para identificar as solicita es impostas ao veio traseiro do kart constituinte cr tico do ve culo ser o analisadas tr s situa es distintas isoladamente a primeira onde o kart se desloca em movimento rectil neo com velocidade constante a segunda onde o kart se encontra em situa o de travagem e a terceira onde se analisa uma situa o em curva 35 Em primeiro lugar atente se numa progress o linear a velocidade constante onde as for as laterais s o praticamente inexistentes e portanto as for as e reac es que se podem identificar s o as seguintes Figura 27 Identifica o de solicita es em progress o linear Onde o Centro de massa do conjunto kart e piloto o Pp Peso do kart sob as rodas dianteiras o Peso do kart sob as rodas traseiras o Py Peso total do kart com piloto o For a aerodin mica de resist ncia do ar o Rr For a de resist ncia ao rolamento nas rodas dianteiras o For a de resist ncia ao rolamento nas rodas traseiras o For a de trac o nas rodas traseiras o a b Distancia entre C M e os eixos frontal e traseiro respectivamente Nota valores estimados o h Altura do C M em rela o ao solo Considere se agora a situa o de travagem ilustrada pela figura seguinte gt lt gt Figura 28
94. ns o de carregamento 3 65V 58 4 0 05V Tens o de descarga cut off 2 0V 32V Corrente m x de descarga 150A 100A Corrente m x de carga 60A 20A Peso 3079 12kg Densidade de energia 105Wh kg Densidade de pot ncia 850W kg Tabela 6 Caracter sticas da c lula de l tio individual e da bateria final A configura o final composta por 30 c lulas individuais Quinze dessas c lulas est o ligadas em s rie para se atingir os 48V aos seus terminais constituindo um andar Em paralelo existem dois desses andares para aumentar a capacidade do conjunto final de 10Ah para 20Ah dessa forma pr ximo dos 25Ah estimados Esta ligeira redu o de capacidade ter implica es na autonomia do ve culo Era poss vel aumentar essa capacidade recorrendo a um aumento do n mero de c lulas neste caso 15 novas c lulas e progredindo no n mero de liga es em paralelo No entanto a condicionante do peso e custo limitaram essa possibilidade Desta forma a autonomia prevista para um regime constante de 100A fornecidos ao motor ser de 12 minutos A Figura 33 ilustra o aspecto final do interior de uma bateria constru da pelo mesmo fornecedor A necessidade de adquirir um carregador era incontorn vel e portanto foi tamb m adquirido um junto do fabricante da bateria Esse componente carrega a bateria a uma carga constante de 15 Figura 33 Aspecto do interior de uma bateria do fornecedor Devido ao facto de as baterias constitu rem uma fort
95. nstante e est em grande destaque na actualidade principalmente junto dos construtores de autom veis 11 No caso geral das aplica es de energia el ctrica o resultado conflui para sistemas ambientalmente limpos energeticamente eficientes silenciosos e com manuten es reduzidas Estes aspectos s o apenas algumas das vantagens dos ve culos el ctricos perante os ve culos usuais com motores de combust o interna Apesar do desenvolvimento e investiga o que j se verifica actualmente sobre as alternativas el ctricas ainda se encontram alguns aspectos que em parte lhe conferem uma reduzida velocidade de expans o e aceita o no mercado Alguns desses aspectos prendem se com alto investimento inicial necess rio curta autonomia e n mero reduzido de op es comercialmente dispon veis 24 Na base dessas caracter sticas est o outros problemas mais prim rios na medida em que muitas das vezes n o s o imediatamente percept veis ao utilizador final sendo o custo das fontes energ ticas controlo destas ltimas e infra estruturas de rede el ctrica de carregamento alguns exemplos deles Neste projecto o objectivo ser o de conceber um sistema el ctrico que envolva todos os componentes el ctricos e de gest o electr nica necess rios ao funcionamento do kart analisando a necessidade escolha e caracter sticas de cada componente bem como as alternativas se existirem Durante o relat rio ser o apresentados os compone
96. ntes com valores de pot ncia e velocidade da mesma ordem de grandeza 28 gt Os motores de relut ncia vari vel MRV s o motores AC trif sicos s ncronos e t m vindo a ganhar interesse como candidatos aos ve culos de propuls o el ctrica dada a sua simples constru o e controlo e possibilidade de operar a altas velocidades com uma larga gama de pot ncia constante Se forem requeridas altas velocidades tipicamente 10 000 r p m estes motores s o capazes de satisfazer o crit rio naturalmente J para os motores de indu o a velocidade 15 m xima geralmente inferior a essa marca Estas vantagens proeminentes s o atractivas para uma aplica o que envolva trac o Apesar de tudo como os MRV ainda n o est o a ser produzidos em grande escala o custo poder ser mais elevado quando comparado ao motor de indu o 31 Para comparar de uma forma simples alguns dos factores mais influentes na escolha de um motor el ctrico pode construir se a seguinte tabela com pesos de 0 m nimo a 5 m ximo 28 Tipo de _ DC de manes permanentes o DC com escovas Indu o Relut ncia Vari vel motor sem escovas Efici ncia 2 5 4 5 Peso 2 4 5 5 Custo 5 3 4 Total 9 12 12 5 13 5 Tabela 1 Compara o entre diferentes tipos de motores el ctricos 28 A toler ncia a falhas tamb m uma caracter stica importante durante o projecto de um ve culo el ctrico Quando um componente falha necess rio que exista re
97. ntes indispens veis ao sistema que se pretende implementar bem como o respectivo estado da arte implementa o e enquadramento no projecto 2 4 1 Propuls o El ctrica Um ve culo considerado el ctrico se a pot ncia transmitida s rodas tiver origem num ou mais motores el ctricos Tipicamente os requisitos destes motores e transmiss es para este tipo de aplica es s o e Alta efici ncia na gama de velocidade utilizada e Peso comedido do conjunto e Gama alargada de velocidade do motor com bin rio e pot ncia constantes fig 12 e Alta fiabilidade e robustez e Custo final vi vel Comparativamente s op es usuais de motores de combust o interna espect vel uma maior simplicidade construtiva em todo o conjunto de transmiss o de pot ncia de um ve culo el ctrico tornando se mais compacto leve e eficiente A escolha e implementa o da motoriza o est posteriormente dependente de alguns componentes perif ricos essenciais ao seu bom funcionamento e controlo Para retirar partido das caracter sticas din micas desenvolvidas pelo motor ser de considerar um est gio de rela o de transmiss o entre o motor e o veio de trac o A Figura 11 ilustra esquematicamente os componentes perif ricos existentes e a rela o entre eles num ve culo el ctrico 12 Equipamento Conversor El ctrico do DC DC 4 Bateria 3 Controlador Veiculo a ed Rela ode El ctrico Transmiss o
98. ntrols Motor 822 08 China Headway Bateria e Carregador 464 35 Portes Motor 187 46 Portes Bateria 146 67 xm Outras Despesas Despesas Banc rias Motor 39 05 4 23 Despesas Banc rias Bateria 39 05 4 23 Despesas Alfandeg rias Motor 361 40 13 80 Despesas Alfandeg rias Bateria 218 79 11 50 Legaliza o de Importa o de Baterias 25 00 5 75 Despesas de Entrega CTT 5 18 1 19 Total 2309 03 40 70 Tabela 8 Resumo dos custos de aquisi o do equipamento el ctrico Todo o equipamento adquirido requeria prepara o pr via antes das montagens para os ensaios preliminares Em causa est a constru o cuidada de fichas por processos de brasagem necess rias correcta instrumenta o da montagem final instala o de interruptores para eliminar a caixa destinada a testes de bancada constru o do painel de controlo que re ne c digos de cor entre outros elementos Toda esta prepara o envolveu a aquisi o de equipamento e material consumivel cujo total dever rondar os 150 Euros Este valor n o ser considerado no custo final uma vez que se trata de equipamento polivalente e onde o custo dos materiais consum veis n o relevante em rela o ao montante final A instala o el ctrica foi posteriormente implementada numa base cujos custos est o indicados na tabela a seguir em euros onde s o comparados com a aquisi o de um kart de lazer dispon vel comercialmente o modelo Dino Leisure Gx200 c
99. o foi tamb m redesenhado para poder incluir a r tula presente na extremidade inferior da coluna de direc o A seguran a foi tamb m melhorada ao desenvolver os suportes necess rios aos apoios de todos os parachoques tamb m modelados consoante as dimens es do kart de crian a Depois de uma an lise detalhada dos pormenores construtivos da ltima itera o foi verificado que o custo associado a toda a constru o se encontrava num n vel muito elevado tendo em considera o que o conceito final poderia revelar se ineficaz ou at limitado a um curto per odo de vida til Fazendo refer ncia s opera es de corte e quinagem da placa de alum nio que viria a dar origem a muitos dos componentes estruturais do kart estas teriam de ser requeridas a terceiros Por outro lado os blocos de alum nio necess rios ao suporte das mangas de eixo teriam de ser maquinados por CNC requerendo a aquisi o de mat ria prima dispendiosa investimento temporal avultado e o emprego de equipamentos n o dispon veis no Laborat rio de Tecnologia Mec nica H ainda a acrescentar tal como j foi referido anteriormente que a friction stir welding requer condi es estruturais de fixa o muito est veis e robustas aquando da execu o de um cord o de soldadura Esse facto viria tamb m a obrigar ao desenvolvimento de novas estruturas de fixa o de componentes gabaris na mesa de trabalho do equipamento de FSW dispon vel depois de ter sido ver
100. olvimento as exig ncias t cnicas da vertente de competi o Assim s o explorados diversos campos inovadores para que o resultado final se apresente com destaque no mercado de entre as op es equivalentes PALAVRAS CHAVE Chassis de Alum nio Bateria de LiFePO4 Chassis Ajust vel Kart para Crian as Kart El ctrico Motor de Corrente Cont nua Abstract Go kart racing or karting is one variant of motorsport practiced with small four wheeled vehicles created in the United States 60 years ago It is available to all citizens without age limit or driving skills Different chassis are used for competition purposes or in the other hand for promoting some good leisure moments behind the steering wheel on the go kart rental companies The user age range is very wide and as a result the need of fitting the kart driving position to children size often becomes a hard task sometimes only doable if the kart is exchanged to one proper chassis type Based on this need this project aims to develop a new chassis concept using new structural materials Bringing to reality the whole new designed structural concept proved to be a very tough and extensive task for many reasons As a result a second hand common chassis was acquired to set this project the beginning of a progressive structural conversion Aiming to adapt the vehicle to the progressive growth of children dynamic longitudinal adjustment systems are designed built and assemble
101. om o mesmo n vel de pot ncia do prot tipo el ctrico desenvolvido cerca de 4 8 55 55 Custo de aquisi o Equipamento Total Total Modelo Adicional S I V A C I V A Dino Leisure Kart Gx200 2654 00 2654 00 3264 42 Kart El ctrico Prot tipo 450 00 2309 03 2759 03 3393 61 Tabela 9 Resumo dos custos de aquisi o de produtos concorrentes A fonte energ tica utilizada por cada um dos ve culos distinta e por isso feita em seguida uma breve abordagem aos consumos e custos associados de cada um dos ve culos Para isso foi considerada uma base temporal de uma hora de utiliza o per odo no qual os ve culos requerem a pot ncia m xima dispon vel dos respectivos motores 56 57 Tipo de Kart Combust o Interna El ctrico Pot ncia utilizada 48kW 48kW Consumo por hora 2 litros de S Ch95 9 33 kWh Custo da energia 1 71 Eur litro 0 15 Eur KWh Custo por hora 3 42 Eur 1 40 Eur Custo adimensional 2 44 1 Tabela 10 Resumo dos custos dos consumos energ ticos Pode ent o afirmar se que de facto uma tecnologia mais vi vel numa vertente econ mica apesar de revelar ainda algumas fragilidades no que toca s autonomias praticadas e do consequente per odo de interrup o para reposi o de recursos energ ticos Esta no entanto uma tecnologia com um grande foco de desenvolvimento actual pelo que 05 novos avan os trar o certamente melhorias nos aspectos atr s referidos colocando os v
102. ompany 44 No entanto os custos de aquisi o verificaram se demasiado elevados custos esses mais agravados ainda pelo facto de n o inclu rem os respectivos componentes de controlo electr nico No que toca s baterias foi encontrado um fornecedor nacional de baterias de l tio a empresa Autosil no entanto o custo da aquisi o desse componente ultrapassava largamente as expectativas acabando por se revelar o dobro do pre o do fabricante onde foram finalmente adquiridas Durante a fase de pesquisa decorria o desenvolvimento do projecto F rmula Student El ctrico nas instala es do Instituto Superior T cnico O projecto propulsionado por uma equipa de alunos de engenharia das mais variadas reas detentores de um vasto conhecimento sobre o tema e por essa raz o foram recolhidas informa es sobre a tecnologia el ctrica utilizada naquele 39 ve culo junto do grupo de engenharia electrot cnica Da resultaram contactos de fornecedores de componentes localizados no mercado chin s 49 50 De entre as op es dispon veis nesses fornecedores todas se revelaram economicamente vi veis ao contr rio das op es encontradas at ent o essas com foco no mercado europeu Foi ent o estabelecido um tecto monet rio e direcionada a pesquisa para a escolha de um conjunto funcional e capaz de cumprir com os requisitos do produto final Foram encontrados diversos conjuntos semelhantes ao ilustrado pela Figura 32 o qual
103. ormador Figura 35 Montagem necess ria configura o do controlador A configura o do controlador era at ent o a configura o standard que foi ent o alterada para uma mais conveniente aos ensaios futuros nomeadamente a t tulo de exemplo gt corrente m xima entregue ao motor foi limitada a 80A gt Foi indicado que seria utilizada a caixa para testes de bancada ao inv s de um dos potenci metros gt Foi estabelecido que o limite m nimo da tens o aos terminais da bateria seria de 35V para que o sistema interrompesse o seu funcionamento antes do BMS gt A op o de regenera o de energia foi desactivada para que os testes iniciais de carga e descarga fossem efectuados em condi es normais simplificadas e o mais seguras poss vel Como os valores de corrente praticados s o elevados existe a necessidade de acautelar a temperatura de funcionamento de alguns componentes do sistema Os cabos el ctricos que estabelecem a liga o entre o controlador e o motor s o um exemplo disso Para evitar danos causados pelo seu sobreaquecimento foi consultada uma tabela normalizada de condutores el ctricos onde era indicada a corrente m xima aconselhada para uma determinada rea de sec o O valor encontrado foi de 25mm para um cabo de cobre revestido a pvc exposto ao ambiente com uma corrente m xima de 126A Os cabos adquiridos seguiram essas especifica es 52 Como referido no primeiro ensaio foi ut
104. otec o de Ocupantes em Impactos Frontais e Laterais Estes dever o tamb m cumprir com normas espec ficas para ve culos el ctricos Requisitos de seguran a em caso de fuga de electr lito e instala es el ctricas e Teste integridade do sistema de armazenamento de energia Os testes de colis o de ve culos incluem tr s ensaios colis o de ve culos reais colis o de ve culos puxados e testes de bancada de componentes Os testes de ve culos reais s o os mais b sicos e assertivos m todos que desenvolvem a seguran a dos ve culos e conseguem devolver os resultados mais exactos porque s o os testes mais semelhantes aos acidentes H no entanto algumas desvantagens nomeadamente prepara es complexas altos custos envolvidos e grande demanda de equipamento Os testes de impacto com ve culos reais s o maioritariamente utilizados para conferir se modelo final do ve culo est de acordo com todas as normas e regulamentos Existem duas entidades que regem este tipo de legisla o de seguran a passiva uma delas nos Estados Unidos conhecida como Federal Motor Vehicle Safety Standards e outra na Europa o sistema legal Europeu estando inclu das a Comiss o Econ mica para a Europa das Na es Unidas e a Comunidade Econ mica Europeia 26 Para terminar recomenda es de seguran a mais pertinentes s o a conveniente fixa o e instala o do sistema de baterias liga es robustas interna e externamente
105. pta o de determinados componentes do kart ao tamanho da crian a faz com que a sua utiliza o se estenda a um largo per odo temporal excluindo portanto a necessidade de aquisi o de outros ve culos durante esse per odo Por outro lado o mercado de aluguer pode aumentar o tempo de rentabiliza o da frota tirando tamb m partido de utiliza es e manuten es economicamente mais atractivas Assim este produto chega ao mercado aliando essa mais valia financeira a uma tecnologia limpa pouco agressiva auditivamente de utiliza o econ mica e de reduzida manuten o A utiliza o final do ve culo centrar se numa componente pedag gica de aprendizagem de condu o e de comportamento em pista tendo por isso a vertente competitiva pouca influ ncia na abordagem resolu o deste problema 1 4 Estrutura da Tese O estado da arte encontra se exposto no Cap tulo 2 Caracterizam se os v rios tipos de kart e as tecnologias de fabrico comummente utilizadas tamb m abordada a tem tica dos ve culos el ctricos apresentando as op es de motoriza o e de armazenamento de energia utilizadas No Cap tulo 3 desenvolvido o conceito com uma abordagem s caracter sticas do produto final O comportamento din mico do kart analisado em v rias situa es poss veis dentro de pista feita a selec o da tecnologia el ctrica a utilizar implementada e testada S o concebidos constru dos e implementados
106. r este controlo permanente a principal fun o do BMS Battery Management System que verifica e controla o estado da bateria atrav s de dispositivos sensoriais tendo em conta as condi es seguras de utiliza o A performance de uma bateria em funcionamento baseada em reac es qu micas Dessa forma a bateria degrada se internamente com o tempo e com a utiliza o reflectindo se numa redu o gradual da sua capacidade de armazenamento O processo de decaimento necessita de ser reduzido o que conseguido controlando o perfil de carga e descarga Geralmente a vida da bateria ir diminuir se a bateria for operada dentro de uma gama alargada de temperaturas e ciclos frequentes de cargas e descargas profundas particularmente aquando de grandes solicita es de corrente Assim o BMS que flex vel protec o de baterias de tipos diferentes e que pode promover diversas fun es de seguran a tem vindo a ser t pico de recentes desenvolvimentos em sistemas de energia alternativa A Figura 15 ilustra uma placa de circuito impresso com o sistema BMS j implementado num conjunto de c lulas individuais de bateria de l tio Figura 15 Placa de circuito BMS implementada em conjunto de c lulas individuais gt SOC Estado de carga da bateria Um dos par metros requeridos para assegurar a correcta carga e descarga da bateria o j referido SOC Este par metro indica o estado actual de carga da bateria e possibi
107. rais quer em termos de dispositivos de seguran a passiva airbags pr tensores dos cintos de seguran a coluna de direc o retr ctil encostos de cabe a com altura regul vel entre outros 25 Estudos pr vios relacionados com a colis o de ve culos foram levados a cabo sob as mais variadas condi es de impacto acontece por m que este tipo de teste se revela muito dispendioso quer em recursos humanos quer em recursos materiais A Figura 16 ilustra um instante no ensaio de crash test de um Nissan Leaf comercialmente dispon vel Figura 16 Teste EuroNCAP Nissan Leaf 80kW Com o m todo dos elementos finitos explorado na rea da engenharia mec nica e com o r pido desenvolvimento dos computadores um grande n mero de investigadores come aram a estudar computacionalmente as colis es de ve culos A ind stria autom vel come ou a investiga o em simula es de impacto de ve culos a partir de meados dos anos 60 sendo que na China o estudo ainda n o tinha come ado at ao final dos anos 80 Actualmente a investiga o de colis es entre ve culos basicamente desenvolvida apenas com m todos de simula o computacional Como os ve culos el ctricos diferem dos ve culos usuais quer na forma como armazenam energia quer na forma como s o propulsionados os testes de impacto n o devem s cumprir com as regulamenta es j existentes Protec o de Ocupantes Protec o em Impactos Traseiros Normas de Pr
108. ral de chassis utilizados em kart s ajust veis ao tamanho do utilizador fazendo uso de novos materiais liga de alum nio AA5083 e de novas tecnologias de fabrico Visando a adapta o do ve culo ao crescimento progressivo de crian as pretende se conceber construir e instalar sistemas de ajuste din micos com varia o da sua posi o longitudinal como s o o caso do pedal do trav o e acelerador No campo da motoriza o seguindo as tend ncias de mercado ser considerada a implementa o de uma plataforma el ctrica funcional A sua adequa o s necessidades do projecto em causa ser tamb m analisada Visando a aplica o dessa plataforma proposta a constru o de todos os suportes necess rios sua correcta fixa o e instala o O uso de novas tecnologias de fabrico tamb m fomentado por forma a analisar a sua aplicabilidade Aborda se o comportamento din mico do kart prevendo se uma an lise compreensiva dos fen menos que poder o ocorrer em pista em v rias situa es poss veis O objectivo do produto final est centrado nas componentes pedag gicas comportamentais e de lazer da perman ncia em pista n o sendo por isso consideradas nesta fase de desenvolvimento as exig ncias t cnicas da vertente de competi o Este produto visa aumentar a rentabilidade do investimento neste tipo de oferta aumentando o intervalo de tempo til do produto para um per odo aproximado de sete anos Durante es
109. regues nos diferentes ve culos vis veis na Tabela 2 Estes valores s o muito mais elevados para os ve culos h bridos uma vez que estes n o s o projectados para elevadas autonomias no regime puramente el ctrico Nesse sentido as baterias s o tipicamente optimizadas para providenciar elevados valores de pot ncia espec fica uma vez que os valores de acelera o do ve culo est o largamente dependentes desta caracter stica 31 Segue se uma breve abordagem aos diferentes tipos de bateria dispon veis no mercado para que se evidenciem as diferen as entre eles gt Baterias de Chumbo cido Actualmente estas baterias s o fabricadas em grandes volumes de produ o pelo que se tornam numa fonte de energia dispon vel a um custo relativamente baixo A acrescentar a esse facto a sua tecnologia est muito amadurecida dada a sua intensa utiliza o durante os ltimos 50 anos No entanto as baterias de chumbo cido n o s o adequadas para descargas acima de 20 da sua capacidade nominal Quando s o sujeitas a um estado muito diminuto de carga as baterias passar o a ter ciclos de vida mais limitados As densidades de energia e de pot ncia s o baixas devido ao peso dos electrodos de chumbo Desenvolvimentos na investiga o revelaram que a densidade de energia poder ser aumentada utilizando outro tipo de electrodos n o corrosivos Esta tecnologia est muito desenvolvida fi vel e barata sendo mundialmente utilizada
110. rior T cnico Lisboa 2009 59 M O a E W Juan W Dixon Regenerative Braking for an Electric Vehicle Using Ultracapacitors and a Buck Boost Converter em 17th Electric Vehicle Symposium Montreal Canada 2000 60 WEGEURO IND STRIA EL CTRICA S A Online Available http www weg net pt Acedido em Agosto 2012 61 H D amp P Pillay Sizing Ultracapacitors For Hybrid Electric Vehicles em Industrial Electronics Society 31st Annual Conference of IEEE Raleigh Carolina do Norte Estados Unidos da Am rica 2005 63 5 A1 Universo de Motores El ctricos Dispon veis Gaiola de Varios tipos onofasico Motor sterese Wionorasico lS 7 c5 64 2 C lculos Anal ticos dos Esfor os Envolvidos no Veio Traseiro Visando aprovar a reutiliza o de componentes dispon veis no kart de crian a o seguinte caso de estudo desenvolvido para o projecto de um veio cheio de 25 gt Considera es A situa o para a qual ser efectuada toda a an lise de esfor os consiste numa redu o de velocidade do kart de 90km h para 40km h com uma desacelera o de 1 5G 14 72m s preparando se para descrever uma curva esquerda com um raio de 9m Na emin ncia dessa descri o e fruto do comportamento do chassis em curva a roda traseira interior mesma ser considerada afastada do solo nesse instante Foi tamb m assumido que n o existe escorreg
111. rmenorizada da sensibilidade do pedal acelerador Estando o correcto funcionamento assegurado seguiam se as fases de implementa o e testes reais Tal como foi anteriormente referido foi adquirida uma base estrutural de um comum a qual se encontrava localizada no Kart dromo de F tima A figura seguinte ilustra o estado inicial do kart adquirido colocado sobre uma bancada de trabalho espec fica disponibilizada por alguns dias no local Figura 38 Estado inicial do kart adquirido nas instala es do Kart dromo de F tima Procedeu se faseadamente constru o de suportes para acomodar os componentes bateria motor e controlador sempre por forma a garantir localiza es o mais seguras poss vel protegidas de elementos externos Um dos cuidados durante este desenvolvimento foi o facto de se acautelar a propaga o de vibra es resultantes da perman ncia em pista para os elementos mais sens veis da instala o el ctrica especificamente controlador e bateria Instalados os componentes todas as liga es foram feitas de forma segura at que por fim o kart foi levado para a pista onde foram recolhidas algumas fotografias momentos antes de se efectuarem os testes reais A Figura 39 a b e c ilustra esse momento 46 Figura 39 Aspecto do kart adquirido com os componentes el ctricos e electr nicos instalados O teste em pista decorreu sem qualquer registo de anormalidades Foram testados ambos os
112. s de junta execut veis por FSW a Topo a topo b Topo a topo em Junta em T com 3 pe as d Soldadura sobreposta e Soldadura sobreposta com 3 pe as f Junta em T com duas pe as 9 Em canto 10 Figura 10 Ilustra o de componentes e par metros utilizados em 11 Figura 11 Esquema do sistema t pico utilizado nos ve culos el ctricos 13 Figura 12 Caracter sticas pretendidas num ve culo el ctrico motor AC de indug o 13 Figura 13 Conjunto de c lulas de l tio individuais rear 20 Figura 14 Aspecto esquem tico do controlo de ve culos el ctricos 23 Figura 15 Placa de circuito BMS implementada em conjunto de c lulas individuais 24 Figura 16 Teste EuroNCAP Nissan Leaf 80KW errar 26 Figura 17 Modela o 3D do cabe ote m vel da m quina de soldadura FSW 28 Figura 18 Modelos com idades de 6 10 e 14 anos 29 Figura 20 Primeiro modelo in cio do desenvolvimento estrutural eee 30 Figura 19 Perfil h brido soldado por FSW rara anaea are aaar nnns 30 Figura 21 Segundo modelo Vista geral e pormenores teares 31 Figura 23 Placa de alum nio Distribui o dos componentes a
113. s exig ncias da execu o de um cord o deste tipo Essa estrutura foi desenvolvida e o cord o foi efectuado tal como ilustrado na Figura 45 Figura 45 Desenvolvimento de cord o de soldadura por FSW Com base nesta ilustra o pode ver se o aspecto da montagem do shoulder e pino utilizados sendo que o ltimo inclu a estrias helicoidais Para reduzir a necessidade de penetra o da ferramenta e para evitar a utiliza o de uma ferramenta esbelta foi maquinada uma caixa na placa horizontal com uma altura de 3mm sendo que o pino utilizado tinha 8 mm de altura A tabela seguinte resume os par metros da execu o do cord o de soldadura Material 5083 111 8mm Penetra o 8 2 mm Carga Axial 1300 Kg RPM 800 r p m Tempo de Espera 4 05 Velocidade de Mergulho Entrada 0 1 mm s Velocidade de Avan o 10cm min Tabela 7 Parametros de Soldadura 49 O aspecto final do componente soldado e quinado encontra se ilustrado pela Figura 46 Figura 46 Aspecto final do suporte do controlador Posteriormente foram efectuada a verifica o do cord o de soldadura atrav s de t cnicas de ensaios n o destrutivos Durante esses ensaios n o foram encontrados defeitos ao longo do comprimento do cord o Relativamente coluna de direc o os ajustes previstos foram repensados Com base em todo o conhecimento adquirido sobre estes ve culos constatou se que este componente poder estar sujeito a esfor os
114. s limites a primeira montagem foi conclu da e testada com sucesso tomando o aspecto da Figura 36 Visando uma vertente demonstrativa de todo o equipamento j adquirido foi constru da uma maquete com uma montagem mais evolu da em rela o primeira As diferen as est o principalmente na remo o da caixa de controlo de testes de bancada e consequente implementa o do potenci metro na forma de pedal Foram tamb m instalados novos interruptores de alimenta o e invers o do sentido de rota o do motor entretanto adquiridos Foi tamb m constru do um pequeno display para concentrar as informa es luminosas em LED no que respeita a luzes de indica o de correcto funcionamento do sistema c digos de erro do controlador ou de fun o de regenera o em funcionamento Para complementar essa informa o foram tamb m inclu dos os mostradores de tens o e corrente montados num pequeno suporte de alum nio tamb m constru do nas instala es do Laborat rio de Tecnologia Mec nica A Figura 37 procura ilustrar o aspecto final da maquete funcional de demonstra o da componente el ctrica e electr nica do kart Figura 37 Aspecto final da maquete funcional de demonstra o do sistema el ctrico 45 Para testar o bom funcionamento de todos os componentes nova configura o foram efectuados diversos testes de accionamento do motor todos com sucesso Os resultados apurados permitiram uma calibra o mais po
115. s suas caracter sticas de pot ncia e vida til sejam significativamente superiores a estas ltimas uma vez que a densidade de energia dos condensadores ser significativamente menor que no caso das baterias A evolu o tem sido direcionada no sentido de obter uma densidade de energia de no m nimo 5 Wh kg para descargas de alta pot ncia Em rela o ao per odo de vida til pretende se atingir no m nimo 500 000 ciclos de descargas profundas 31 O uso de ultracondensadores a par das baterias tecnicamente atractivo para tirar melhor partido de ambos os componentes apesar dos ultracondensadores serem dispendiosos No entanto poder o oferecer caracter sticas atractivas se funcionarem em conjunto com baterias de chumbo cido 38 A Tabela 3 recorrendo a dados relativos s caracter sticas mais relevantes deste tipo de componentes estabelece uma compara o entre as comuns baterias de chumbo cido e os ultracondensadores 40 Caracter stica Bateria Chumbo cido Ultracondensador Tempo de carregamento De1a5h De 0 3 a 30s Tempo de descarregamento De 0 3 a 3h De 0 3 a 30s Energia Wh kg De 10 a 100 De 1 a 10 Ciclos de vida 71000 gt 500 000 Pot ncia Espec fica 1000 10 000 Efici ncia da carga descarga 0 7 a 0 85 0 85 a 0 98 Tabela 3 Compara o entre tecnologias de armazenamento de energia 22 2 4 4 Controlo Electr nico e Gest o das Fontes de Energia A electr nica de pot ncia uma tecnologia que abre
116. se per odo os utilizadores poder o usufruir dos ve culos de uma forma mais econ mica ecol gica e simplificada no mbito da manuten o quando comparados com os modelos actuais mais comuns 1 2 Enquadramento Hist rico Os Karts como hoje s o conhecidos s o origin rios dos Estados Unidos da Am rica Por volta dos anos 50 pilotos americanos constru am pequenos carros motorizados com tubos met licos equipados com pequenas rodas de avi es Inicialmente estes pequenos ve culos serviam para dar apoio aos mec nicos nos campos de avia o s mais tarde o engenheiro Art Ingels constru ra um ve culo com a concep o base do Kart actual vis vel na Figura 1 A primeira marca a surgir com patente mundial foi lan ada com a designa o de Caretta e resultou do trabalho de Ingels e de Lou Borelli engenheiro respons vel pela manuten o das esta es de servi o da Standard Oil Figura 1 Eng Art Ingels e primeiro A primeira corrida de karts realizou se em 1957 em pistas provis rias e com equipamentos constru dos pelos pr prios concorrentes Em Dezembro desse ano foi fundado o Go Kart Club of America primeiro Karting Club do mundo A popularidade do novo desporto motorizado n o parava de aumentar e em 1960 foram registados 300 mil karts constru dos por v rias dezenas de empresas Na Europa o movimento fez se sentir no final dos anos 50 e em 1962 o Karting era inscrito na Federa o Inter
117. sos materiais principalmente no que toca disponibiliza o comercial dos componentes procurados e localiza o dos fornecedores O ponto de partida para a escolha dos componentes a adquirir foi definido em grande medida pelas caracter sticas do utilizador final Para isso foram utilizadas as recomenda es para o karting de lazer feitas pela Federa o Portuguesa de Automobilismo e Karting 46 A Tabela 4 indica as gamas de velocidade e de pot ncia aconselhadas para as respectivas gamas de idade Velocidade Nominal 5 Idade M xima Potencia kW km h Desde os 12 anos Desde os Desde os lt 110 lt 21 15 anos Tabela 4 Recomenda es para Karting de Lazer Pot ncia e Velocidade Os principais utilizadores deste produto situar se o entre os 6 e os 14 anos Assim os limites de m ximos de velocidade e de pot ncia s o respectivamente 90km h e 7kW Para reduzir a complexidade do controlo electr nico a pesquisa centrou se em motores do tipo DC para evitar inversores de frequ ncia e em baterias de l tio visando aqui comedir o peso do conjunto final Relativamente aos motores no mercado nacional foram encontrados apenas motores de m dio e grande porte afastando se das reais necessidades do projecto 47 48 A procura foi ent o alargada a pa ses estrangeiros onde foram encontradas op es mais ajustadas no que toca a caracter sticas t cnicas por exemplo na empresa inglesa Lynch Motor C
118. ssis dos karts actuais t m na sua maioria uma configura o estrutural similar da Figura 2 no entanto existem diferen as consoante a sua aplicabilidade final e por isso que comercialmente podem ser divididos em duas categorias sendo elas competi o e lazer As vers es destinadas utiliza o l dica s o frequentemente encontradas nos kart dromos com servi o de aluguer As pot ncias dos motores est o normalmente localizadas entre os 2 6 e os 8 7kW referentes s cilindradas de 120cc e 390cc respectivamente 5 Estes valores de pot ncia demonstram se pouco performantes quando comparados aos equivalentes utilizados em competi o Para os utilizadores at 14 anos as velocidades atingidas s o usualmente inferiores a 90km h Esse limite imposto pela rota o m xima do motor e pela rela o de transmiss o utilizada entre o motor e o veio traseiro uma vez que a transmiss o de pot ncia feita sem caixa de velocidades O sistema de travagem normalmente de actua o mec nica por cabo As caracter sticas t cnicas dos chassis de lazer s o pouco evolu das garantindo apenas que se apresentam como ve culos f ceis e divertidos de conduzir As manuten es s o econ micas sem que exista a necessidade submeter a desgaste material de elevado n vel de qualidade Na maioria dos casos recorre se por isso a componentes consum veis mais acess veis economicamente Usualmente o peso de um Kart de 200 sem pilo
119. to sem combust vel cerca de 110kg J os karts de 270cc poder o atingir os 119kg nas mesmas condi es 6 Para dar resposta s necessidades do mercado de aluguer frequente encontrar v rias frotas de karts dispon veis de diferentes dimens es de chassis num mesmo kart dromo Acontece por m que as frotas de tamanho de crian a s o menos solicitadas o que implica uma lenta velocidade de rentabiliza o do investimento A esse facto acrescentam se as despesas de manuten o das condi es log sticas adequadas para albergar todos os ve culos Na vertente competitiva tudo funciona de forma diferente Os karts utilizados s o mais velozes e eficazes e disp em de caracter sticas mec nicas modific veis ao ponto de ser poss vel ajustar cada ve culo ao respectivo condutor e modo de condu o poupando se cent simos de segundo em pista A gama de pot ncias dispon veis muito mais alargada chegando a atingir mais de 30kW o equivalente a cerca de 40cv numa cilindrada de 125cc 7 As velocidades atingidas s o muito superiores uma vez que existem 6 rela es de velocidade sendo que em alguns circuitos a velocidade m nima praticada de 70km h e a m xima de 200km h O sistema de travagem utilizado na maioria dos casos hidr ulico e actua no eixo traseiro e dianteiro Nesta vertente do desporto existem regras que estipulam o peso m nimo do conjunto kart e piloto e por exemplo na categoria entre os 12 e os 14 anos
120. trico entretanto modelado em SolidWorks juntamente com o motor Foram depois utilizados os equipamentos dispon veis no Laborat rio de Tecnologia Mec nica para fabricar o suporte pretendido A sequ ncia de imagens da Figura 34 procura ilustrar simplificadamente todas as fases desse processo Figura 34 Fases da constru o do suporte do motor el ctrico modela o desenho 2D e tra agem fresagem quinagem e montagem final O controlador havia que ser configurado para que se tornassem percept veis as capacidades do respectivo software bem como garantir a seguran a dos testes de bancada Para isso era necess rio alimentar o controlador com uma fonte DC de 18V Para isso foi utilizado um transformador usado oriundo de uma impressora e foi efectuada uma liga o teste Durante esse teste foi monitorizada a corrente entregue ao controlador e havendo sido verificado que esta era superior ao limite de 150mA indicado nas especifica es t cnicas o teste foi interrompido Para limitar a corrente foi ent o necess rio testar diversos valores de resist ncias e por fim utilizar uma resist ncia de carv o de 20 Ohm colocada no circuito na posi o indicada na Figura 35 Para auxiliar esta montagem foram tamb m constru dos os cabos com os terminais adequados utilizando 43 brasagem Depois de feita a correcta montagem dos elementos foi poss vel aceder ao menu de configura o do controlador Multimetro Transf
121. urante um ciclo de carga e descarga realizado a 1C de uma c lula individual de 3 2V e 10 2 2 22 53 Figura 51 Degrada o da capacidade da bateria em fun o dos ciclos de vida 54 Figura 52 Degrada o da capacidade da bateria em fun o do tempo 54 Figura 53 Diagrama de corpo livre do veio para o plano 65 Figura 54 Diagrama de corpo livre do veio para o plano 66 Figura 55 Diagrama de esfor os para os planos xy e xz 66 xi Lista de tabelas Tabela 1 Compara o entre diferentes tipos de motores el ctricos 28 16 Tabela 2 Caracter sticas dos v rios tipos e marcas de baterias com aplica es em ve culos eleciricos e hibridoS nana 19 Tabela Compara o entre tecnologias de armazenamento de 22 Tabela 4 Recomenda es para Karting de Lazer Pot ncia e Velocidade 39 Tabela 5 Tabela comparativa entre motor el ctrico e motor de combust o interna 39 51 41 Tabela 6 Caracter sticas da c lula de l tio indivi

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