PME 3540 – Engenharia Automotiva 1 9 Trabalho em Grupo 6 Grupo Brunno Souza Marques Heitor M. N. Cavallaro Rafael G. Stuque Ricardo Gonçalves Ruano 8644177 9299070 9836412 8992408 Docentes: Prof. Dr. Ronaldo de Breyne Salvagni São Paulo 2020 Introdução O presente relatório tem como objetivo elaborar e entregar a avaliação preliminar dos momentos de Inércia dos componentes do trem de força do VW Gol G6. 1 Elementos do trem de Força Essa sessão apresenta os valores aproximados das dimensões, massas e momentos de inércia dos principais componentes rotativos do motor e do trem de força. O motor utilizado no Gol Trendline 1.0 Flex é o EA111, utilizado em diversos modelos da Volkswagen como o Fox e a Saveiro. Trata-se de um motor multiválvulas, sendo duas para admissão e duas para escape para cada cilindro, totalizando 16 válvulas. Para determinar a massa de seus componentes, será adotada a hipótese de que todos os componentes rotativos do motor e da transmissão são fabricados em aço, com massa específica de 7850 kg/m³. Figura 1 - Motor EA111. (Fonte: Divulgação Volkswagen (2011)) 1.1 Volante do motor e acoplamento (embreagem) Para determinar as propriedades mássicas e inerciais do conjunto do volante e embreagem, serão adotadas as seguintes hipóteses: a) O volante é considerado um disco circular maciço, de espessura constante, com um furo no centro; b) O diâmetro do furo no centro do volante é igual ao diâmetro ao qual se acopla no virabrequim; 1 c) O diâmetro externo do disco será considerado como o máximo visível, no topo da cremalheira. Em consulta ao site da varejista MercadoLivre é possível encontrar o volante do EA111 à venda, conforme a figura a seguir: Figura 2 - Volante do motor EA111. (Fonte: MercadoLivre, acesso em 26/04/2020 / 13:45) A Figura 2 permite a determinação aproximada das dimensões do volante. Sabendo que o furo interno tem aproximadamente 55 mm de diâmetro, e seguindo a proporção apresentada na ilustração acima, segue que o diâmetro externo do volante é aproximadamente seis vezes maior, totalizando 330 mm. Ainda em observação à geometria do volante é possível aproximar sua espessura, de aproximadamente 20 mm. Dado que o volante do motor é o principal componente de inércia quando se considera seu acoplamento à embreagem, será adotado que o disco de embreagem tem espessura substancialmente inferior ao volante e seu diâmetro externo é igual. Assim, a embreagem é tida como um disco de aço com espessura 5 mm, diâmetro externo 330 mm e diâmetro interno 55 mm. Para determinação da massa do conjunto, será adotada a equação abaixo: Substituindo os valores apresentados anteriormente, segue que a massa total mvolante = 16,2 kg. Com auxílio do software Solidworks 2018, modela-se o conjunto volante e embreagem para determinação do respectivo 2 momento de inércia rotacional, de aproximadamente I Z = 0.226648 kg.m² ou 226648 kg.mm². 1.2 Eixos e engrenagens da caixa de redução O Gol Trendline 2012 adota uma caixa de câmbio manual de cinco marchas a frente e uma ré. Figura 3 – caixa manual de cinco marchas e ré genérica Fonte: How Stuff Works (2016), acesso em 26/04/2020 / 14:30 Para determinação da inércia dos elementos da caixa de transmissão, é necessário em primeiro momento a determinação das relações de redução para cada marcha, tal como se segue: Tabela 1 – relações de transmissão do Gol Trendline 2016 Marcha Relação 1ª 2ª 3ª 4,167 2,300 1,433 Fonte: manual do proprietário Volkswagen Gol 4ª 0,975 5ª 0,776 Não sendo possível determinar com exatidão as dimensões dos componentes de transmissão do Gol, baseou-se nos exemplos constantes em Gillespie (1992), que apresenta algumas relações de transmissão e suas inércias correspondentes, e adotou-se uma regra de proporcionalidade entre as relações e inércias. Desta forma, seguem as respectivas inércias rotacionais. Tabela 2 – inércias rotacionais por marcha Pouca precisão!! 3 Marcha Relação Inércia rotacional (kg.mm²) 1.3 1ª 2ª 4,167 2,300 143001 83827 Fonte: autoria própria 3ª 1,433 61931 4ª 0,975 40500 5ª 0,776 26303 Eixo de transmissão (eixo cardã) O veículo em questão não dispõe de eixo cardã para transmissão de potência. 1.4 Diferencial Segundo divulgação da própria montadora, a relação de redução do diferencial do Gol Trendline 2012 é 4,929. Seguindo as diretrizes de Gillespie (1992), segue que a inércia rotacional para o conjunto do diferencial é aproximadamente Idiff = 169150 kg.mm². 1.5 Rodas e pneus O veículo dispõe de quatro rodas de ferro, com massa aproximada de 7 kg por roda. Considerando a roda como um cilindro oco dotado de uma tampa em um dos lados, e novamente com auxílio do Solidworks, chega-se à inércia rotacional de 0.148524 kg.m² ou 148524 kg.mm². Segundo consulta ao site da fabricante de pneus Pirelli, uma das principais fornecedoras para a Volkswagen, um pneu equivalente ao utilizado pelo Gol pesa aproximadamente 6.2 kg. Novamente, com auxílio do Solidworks, chega-se a uma inércia rotacional de 0.124429 kg.m² ou 124429 kg.mm². Assim sendo, a inércia rotacional do conjunto é Iroda+pneu = 272953 kg.mm². 1.6 Freios O Gol Trendline 2012 dispõe de um sistema de freios a disco na dianteira e freios a tambor na traseira. Segundo dados de fornecedores, seguem as seguintes dimensões para os elementos do sistema de frenagem, bem como suas respectivas inércias rotacionais obtidas a partir do Solidworks. Tabela 3 – inércias dos componentes do sistema de freios 4 Diâmetro externo (mm) Altura/espessura (mm) Diâmetro do furo (mm) Peso (kg) Inércia rotacional (kg.mm²) Dianteiro 256 mm -/25mm 65 mm 7.6 kg 66344 Traseiro 200 mm 45mm/3mm 65mm 1.3 kg 9660 Fonte: Autoria própria 1.7 Elementos internos principais do motor Os elementos internos do motor serão considerados como fabricados em ferro fundido. (π = 7400 ππ/π³) 1.7.1 Pistões O diâmetro dos pistões do motor AE111 8V é de 70 mm. O comprimento deles é calculado por proporção utilizando a Figura 4, o comprimento representa β do diâmetro, chegando-se no valor de 56 mm. Utilizando a mesma técnica para a espessura, chega-se no valor de 5 mm. Figura 4: Pistão do motor Fire 1.0 (TONINI, 2017). Para calcular a massa do pistão, foram consideradas as seguintes hipóteses: β Pistão será considerado um cilindro com uma tampa em um dos lados, de espessura constante; β Não será considerado o furo para inserção do pino; Com as hipóteses e por geometria chega-se na equação (2) para determinação da massa, onde π é a espessura, π é o comprimento do pistão e π é o diâmetro. Chega-se assim ao valor de 0,60 kg. ππ = π . π . π. (π. π + π²/4) (2) 5 1.7.2 Biela A biela será modelada como dois cilindros sem tampa (com diâmetros e espessuras diferentes) e um paralelepípedo com medidas pela proporção na Figura 5. O entre eixos é de 138 mm, então o paralelepípedo possui um comprimento estimado em 104 mm, portanto as dimensões do paralelepípedo ficam 24x20x104mm. Os diâmetros externos: maior e menor, aproximados, pela Figura 4, são 62 mm e 24 mm respectivamente. A Equação (3) descreve a massa aproximada da biela. Assim mb = 0,55 kg. Figura 4 - Biela do motor ππ = π π .20. 10−9 [ 4 (622 − 50,62 ) + 24. 104 + π 4 (242 − 182 ) ] (3) 1.7.3 Eixo de manivelas Para estudo do eixo de manivelas, ou virabrequim, são definidas as seguintes dimensões: raio da manivela (r), diâmetro do munhão do virabrequim (d.mv), comprimento do munhão do virabrequim (lmv), diâmetro do munhão da manivela (dmm) e comprimento do munhão da manivela (lmm). Tem-se dmv = 47 mm e dmm = 37 mm. Para as outras dimensões serão usados os valores lmv = 29 mm e lmm = 27 mm. A massa do virabrequim é então calculada pela Equação (4) abaixo, supondo que o elemento é composto apenas dos eixos de manivela e de apoio, como na Figura (6). 6 Figura 6: Figura do eixo de manivelas 2 2 ππππ₯π = π. π. (5. πππ£ . πππ£ + 4 . πππ . πππ )/4 (4) Chega-se então no valor de 2,72 kg para a massa do eixo de manivelas. 2 Cálculo do momento de inércia rotacional “médio equivalente” dos internos do motor 2.1.1 Eixo de manivelas Para determinação da inércia rotacional do motor, será calculada inicialmente a inércia rotacional do eixo de manivelas. Para isso, o eixo será separado em duas partes: eixo central e manivelas. As 4 manivelas serão tratadas como se fossem um único cilindro girando ao redor do eixo central somados a 5 seções que se comportam como um único corpo e gira ao redor de um mesmo eixo central. A massa do eixo central (mec) e a do eixo de manivelas (mem) serão determinadas pelas equações abaixo, que basicamente multiplicam a densidade do material pelo seu volume considerando que seu formato é cilíndrico. πππ = 5 ∗ π ∗ π ∗ πππ£ 2 ∗ πππ£ /4 (5) πππ = ππππ₯π − πππ (6) São obtidos os seguintes valores: mec=1,86 kg e mem=0,86kg. A partir daí para determinação do momento de inércia dos dois componentes do eixo em relação ao seus eixos de inércia será exposto na Equação (7). πΌπΆπΊ = (1/8) ∗ πππππππππ ∗ π 2 (7) 7 Os resultados obtidos seguem: ICG,ec = 513,6 kg.mm2 e ICG,em = 147,2 kg.mm2. Nesse ponto, é necessário converter o momento de inércia do eixo de manivelas do CG para o eixo central de rotação do eixo de manivelas, por meio da equação de translação de eixo, Equação (8). πΌπππ₯π,ππ = πΌπΆπΊ,ππ + πππ ∗ π 2 (8) Dessa forma, o resultado do momento de inércia do eixo de manivelas em relação ao eixo de rotação do virabrequim segue: Ieixo, em= 1218,8 kg.mm2. Somando os dois momentos de inércia obtém-se o momento de inércia rotacional do eixo de manivelas, portanto Ieixo = 1732,4 kg.mm2. 2.1.2 Bielas e pistões A partir daí, é necessário considerar a influência das bielas e pistões na inércia do motor. A influência das bielas será calculada como se as quatro bielas fossem massas concentradas no centro do moente da manivela. Essa aproximação desconsidera a distância do centro de massa da biela ao centro do furo do moente e a rotação da biela. A Equação (9) demonstra como é calculada a influência dessas massas no momento de inércia do conjunto. πΌπππ₯π,ππππππ = πΌπππ₯π + 2 ∗ (2mπ ∗ π 2 ) = πΌπππ₯π + 4 ∗ mπ . π 2 (9) Para consideração da influência dos pistões no momento de inércia, serão feitas as seguintes simplificações: β Os pistões realizam movimento harmônico simples (mhs) com raio equivalente ao raio da manivela (r), desconsiderando a angulação da biela no posicionamento do pistão (Lbiela>>rmanivela); β A transmissão de força do pistão para a manivela se dá na forma de uma força paralela à direção de movimentação do pistão; Aplicando a segunda lei de Newton no pistão obtém-se a Equação (10). πΉπ = ππ ∗ ππ (10) Sabe-se que a aceleração do pistão é a segunda derivada temporal de sua posição, descrita pela equação (11). π₯π = −π ∗ πππ (π) (11) Derivando a equação (11) duas vezes em função do tempo e combinando com a equação (10) obtém-se a equação (12), que relaciona a 8 força sobre o pistão com a posição (θ), velocidade (ω) e aceleração (α) angulares do eixo de manivelas. πΉπ = ππ ∗ π ∗ [πππ (π) ∗ π2 + π ππ(π) ∗ πΌ] (12) Aplicando-se a segunda lei de Newton adaptada ao movimento rotacional ao eixo de manivelas, considerando um torque motor no eixo igual a “T” no sentido horário, obtém-se a equação (13). π = 2 ∗ [2 ∗ πΉπ ∗ π ∗ π ππ(π)] + πΌπππ₯π,ππππππ ∗ πΌ (13) Substituindo o valor de FP de (12) em (13) tem-se a equação (14). π = 2 ∗ ππ ∗ π 2 ∗ π ππ(2π) ∗ π2 + 4 ∗ ππ ∗ π 2 ∗ π ππ2 (π) ∗ πΌ + πΌπππ₯π,ππππππ ∗ πΌ (14) Descartando o termo independente de α e agrupando os outros, obtém-se a equação (15). π = [4 ∗ ππ ∗ π 2 ∗ π ππ2 (π) + 4 ∗ ππ ∗ π 2 + πΌπππ₯π ] ∗ πΌ = πΌπππ‘ππ ∗ πΌ (16) Finalmente, removendo a aceleração angular da equação (16) é possível obter a expressão para o momento de inércia do motor, pela equação (17). πΌπππ‘ππ (π) = [4 ∗ ππ ∗ π 2 ∗ π ππ2 (π) + 4 ∗ ππ ∗ π 2 + πΌπππ₯π ] (17) Para se obter um valor de inércia independente do ângulo do eixo de manivelas, será calculada a média da inércia no intervalo 0 - 2π rad, pela média do quadrado do seno do ângulo. 2π π ππ2 (π) = (1/2π) ∗ ∫0 π ππ2 (π) ππ = 1/2 (18) Pela equação (18) e (17), obtém-se a média do momento de inércia do motor, pela expressão (19). Chega-se então, por meio da equação (19), no seguinte valor: IMotor = 5969,1 kg*mm2. πΌπππ‘ππ = [2 ∗ ππ ∗ π 2 + 4 ∗ ππ ∗ π 2 + πΌπππ₯π ] (19) 3 Cálculo da inércia rotacional total equivalente da linha de transmissão Para o cálculo da inércia rotacional equivalente da transmissão, será adotada a abordagem sugerida por Gillespie. Sendo assim, a inércia equivalente pode ser obtida pela equação (20) mostrada abaixo. 9 πΌππ = (πΌπππ‘ππ + πΌππππβπ ). ππ‘π ² + πΌπππ . ππππ ² + πΌπππππ (20) Onde: πΌππ = Inércia rotacional do trem de força do veículo em kg.m² πΌπππ‘ππ = Inércia rotacional equivalente de todos os componentes do motor em kg.m² πΌππππβπ = Inércia rotacional equivalente das engrenagens da 1ª marcha em kg.m² ππ‘π = Relação de transmissão total do veículo πΌπππ = Inércia rotacional equivalente do conjunto que compõe o diferencial e o eixo dianteiro em kg.m² ππππ = relação de transmissão do diferencial do veículo em kg.m² πΌπππππ = Inércia rotacional equivalente do conjunto que compõe as rodas dianteiras em kg.m² Considerando que o momento rotacional equivalente de inércia das rodas dianteiras é composto pelos conjuntos dos freios, roda e pneu, temos que sua inércia equivalente é dada pela equação (21) mostrada abaixo. πΌπππππ = 2. (πΌπππππ + πΌππ ) (21) Onde: πΌπππππ = Inércia rotacional equivalente do conjunto das rodas em kg.m² πΌπππππ = Inércia rotacional equivalente do conjunto dos freios de uma roda em kg.m² πΌππ = Inércia rotacional equivalente de uma roda com pneu em kg.m² Assim: πΌπππππ = 2. (0,066344+0,272953) = 0,678594 kg.m² Com os valores de inércia do motor, do conjunto de transmissão e das rodas, juntamente com os valores de relação de transmissão de todo o conjunto do trem de força do veículo, é possível calcular os valores de inércia equivalente rotacional equivalente do conjunto de trem de força para cada 10 marcha engatada, logo os resultados obtidos são mostrados na tabela 4 abaixo. Tabela 4: Inércia rotacional equivalente do trem de força do veículo 4 Memorial de cálculo 4.1 Massa do volante do motor: ππ£πππππ‘π 4.2 7860 . 0,025. π. (0,3302 − 0,02752 ) = = 16,2ππ 4 Momento de inércia do volante do motor: πΌπ£πππππ‘π = πΌπ£πππππ‘π = 4.3 1 . ππ£πππππ‘π . (π·π2 + π·π2 ) 8 1 . 16,2 . (0,3302 + 0,02752 ) = 0,2205 ππ. π² 8 Massa do pistão ππ = π ∗ π ∗ (π ∗ π ∗ π + π ∗ π2 /4) ππ = 0,005 ∗ 7400 ∗ (π ∗ 0,056 ∗ 0,07 π + π ∗ 0,072 /4) ππ = 0,6 ππ 4.4 Massa do eixo de manivelas ππππ₯π = π. π. 2 2 5. πππ£ . πππ£ + 4 . πππ . πππ 4 ππππ₯π = π ∗ 7400 ππ/π3 (5 ∗ 472 ππ2 ∗ 29 ππ + 4 ∗ 372 ππ2 ∗ 27 ππ)/4 ππππ₯π = 2,72 ππ 4.5 Massa do eixo central do virabrequim πππ = 5 ∗ π ∗ π ∗ πππ£ 2 ∗ πππ£ /4 11 πππ = 5 ∗ 7400 ππ/π3 ∗ π ∗ 472 ππ2 ∗ 27 ππ/4 πππ = 1,86ππ 4.6 Massa do eixo de manivelas do virabrequim πππ = ππππ₯π − πππ πππ = 2,72 ππ − 1,86 ππ πππ = 0,86ππ 4.7 Momento de inércia rotacional do eixo central do virabrequim em relação ao seu CG πΌπΆπΊ,ππ = (1/8) ∗ πππ ∗ πππ£ 2 πΌπΆπΊ,ππ = (1/8) ∗ 1,86 ππ ∗ 472 ππ2 πΌπΆπΊ,ππ = 513,6 ππ ∗ ππ2 4.8 Momento de inércia rotacional do eixo de manivelas do virabrequim em relação ao seu CG πΌπΆπΊ,ππ = (1/8) ∗ πππ ∗ πππ 2 1 πΌπΆπΊ,ππ = ( ) ∗ 0,86 ππ ∗ 372 ππ2 8 πΌπΆπΊ,ππ = 147,2 ππ ∗ ππ2 4.9 Translação do momento de inércia do eixo de manivelas πΌπππ₯π,ππ = πΌπΆπΊ,ππ + πππ ∗ π 2 πΌπππ₯π,ππ = 147,2 ππ ∗ ππ2 + 0,86 ππ ∗ 35,62 ππ2 πΌπππ₯π,ππ = 1218,8 ππ ∗ ππ2 4.10 Inércia rotacional do motor πΌπππ‘ππ = [2 ∗ ππ ∗ π 2 + 4 ∗ ππ ∗ π 2 + πΌπππ₯π + πΌπ£πππππ‘π ] πΌπππ‘ππ = [2 ∗ 0,6 ππ ∗ 35,32 ππ2 + 4 ∗ 0,55 ππ ∗ 35,32 ππ2 + 1732,4 ππ ∗ ππ2 + 220500 ππ ∗ ππ2 ] πΌπππ‘ππ = 226469,1 ππ ∗ ππ2 4.11 Inércia rotacional equivalente das rodas πΌπππππ = 2. (πΌπππππ + πΌππ ) πΌπππππ = 2. (0,066344+0,272953) = 0,678594 kg.m² 4.12 Inércia rotacional equivalente do trem de força do veículo: πΌππ = (πΌπππ‘ππ + πΌππππβπ ). ππ‘π ² + πΌπππ . ππππ ² + πΌπππππ 12 5 Bibliografia [1] - Volkswagem do Brasil Ltda (2016); Manual de instruções do Volkswagem Gol. Fechamento: 16.09.2016. Número de artigo: 161.5B1.gol.66 [2] SAE Brasil, (2012). Engenharia automotiva aeroespacial. Periodico. Ano 11 - N°51. Site da disciplina PME 2540, Material extra, Aerodinâmica SAE Brasil. Endereço: http://sites.poli.usp.br/d/pme2540/Material%20extra.html. Acesso em: 29/03/2020. [3] CarrosnaWeb,. Ficha técnica Volkswagem Gol G6 2012. Endereço: http://www.carrosnaweb.com.br/fichadetalhe.asp?codigo=1085. Acesso em: 29/03/2020. [4] Engineering Toolbox, The. Reynolds Number. Site do Engineering Toolbox, Fluid Mechanics, Reynolds Number. Endereço: http://www.engineeringtoolbox.com/reynolds-number-d_237.html. Acesso em: 29/03/2020. [5] Engineering Toolbox, The,. 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