Ceifador 1º - duna 2016
O embasamento do nautimodelo deu-se pelos critérios de uma embarcação do tipo rebocador portuário como formato da proa e popa e curvas, porém em escala reduzida, como exigido pelas normas da competição DUNA 2016.
Fatores importantes devem ser levados em consideração no processo de fabricação do casco, como o esboço inicial, a estabilidade, a simetria, e o material utilizado para a estrutura. De acordo com os critérios limites da competição para a medida de comprimento deslocamento, boca e calado as medidas pré-estabelecidas foram:
● 1,07 (metros) de comprimento total;
● 0,33 (metros) de boca máxima;
● 0,12(metros) de calado (valor mínimo estabelecido pelo edital);
● 18(quilogramas) de deslocamento (valor mínimo estabelecido pelo edital).
Para o esboço inicial do nautimodelo, este foi modelado no programa Delftship de forma simétrica na escala 1:1, de acordo com as medidas pré-estabelecidas, houve uma série de modificações no formato do casco para que este atendesse a requisitos semelhantes ao de um rebocador portuário (seguindo o intuito da competição).
Para atender a critérios de estabilidade, foi simulado para o deslocamento de 18 kg com 0,12 metros de calado, onde estão situados 12 kg de lastro (aço SAE 1020) que estão próximo à chapa do fundo do casco, a fim de abaixar o centro de gravidade da embarcação, a deixando mais estável.
O material utilizado para a fabricação do casco foi o alumínio (chapa de 3mm), levando em consideração suas propriedades. O alumínio tem uma resistência semelhante, no entanto menor, à do aço, com uma estrutura mais espessa e mais leve tendo em conta os equipamentos situados na parte interna da embarcação. O processo de soldagem para o casco foi TIG (Tungsten Inert Gas), onde o eletrodo é de tungstênio inconsumível e a proteção da área soldada ocorre com gás inerte,é muito utilizado no meio naval.
TRANSMISSÃO
Como o motor utilizado roda 2000 vezes para cada volt aplicado nele e como nosso sistema de boost iria fazer o sistema rodar na faixa de 16-20 volts, resultando em incríveis 32000-40000 RPM, fica evidente a necessidade de uma caixa de redução para o projeto. Após algumas análises foi decidido que essa redução seria 8:1 e, seguindo essa nova restrição foi decidido que a caixa de redução seria composta de 3 estágios de engrenagens, todas com razão de 2:1 entre eles. O arranjo do sistema todo deveria seguir o desenho abaixo:
Com essas informações definidas, o próximo passo é o cálculo das engrenagens em si. O livro escolhido como guia foi a 9ª edição do livro Elementos de Máquinas escrito por Sarkis Melconian. Após decidir o material no qual as engrenagens e eixos seriam feitos e analisar as perdas de potências os cálculos ficaram assim (considerando 16V como tensão do sistema):
Dados Definidos da Caixa de Redução | Potência dissipada por estágio |
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Potência dissipada pelo sistema | Materiais e dados |
Materiais e dados | Cálculos dos Pinhões |
Dados de flexão | Dados de flexão |
Cálculo do raio mínimo para os eixos | Raio mínimo para os eixos |
INSTALAÇÃO ELÉTRICA
O esquema elétrico adotado pela equipe foi o modelo convencional baseado em nautimodelos padrões, no que consiste em uma bateria, controle eletrônico de velocidade (ESC), um rádio controle contendo transmissor e receptor e um motor brushless trifásico. Porém, a inovação deste projeto está num circuito boost step-up de 1200 W, adicionado para somar potência ao motor, visto que este eleva a tensão de saída conforme seu ajuste. O Kv do motor representa o número de rotações por minuto a cada 1 V inserido ao motor. A bateria estipulada no edital do DUNA explora apenas 50% da capacidade total do motor. Um boost de tensão poderia elevar a uma tensão maior que a tensão nominal da bateria, gerando mais rotações ao motor e mais potência.
A bateria utilizada é de Lítio Polímero, o que significa mais potência em termos de amperagem. A mesma contém 3 células e totaliza 11.1 V em seus terminais, justamente quase que a metade da capacidade total aguentada pelo motor utilizado. Sua descarga contínua é de 20 C, o que indica uma resposta mais rápida do motor para uma mesma amperagem, já que o mesmo necessita de um pico de corrente para seu acionamento. Possui máxima descarga em 30 C, o que está diretamente relacionado a uma descarga repentina máxima ao ativar o equipamento. A respeito de sua durabilidade, possui 5000 mAh de capacidade, ou seja, podemos utilizar 5 A contínuos por um período de uma hora até seu descarregamento total. As baterias utilizadas são produzidas pela Hobby King.
O ESC, controle eletrônico de velocidade, consiste num sistema de inversão de frequência, onde o mesmo irá utilizar a tensão nominal recebida para então transformar em ondas pulsantes quadradas, cuja qual tem sua frequência variada para diminuir ou aumentar a velocidade do motor. O mesmo utiliza refrigeração pela água, e possui capacidade de até 120 A, visto que o sistema pode consumir energia a mais em certas competições. Possui também um BEC de 5 V e 5 A, que será acoplado ao receptor do controle utilizado pela equipe. Para certos ajustes de pilotagem, foi necessário reprogramar o ESC, seguindo instruções previstas no manual do equipamento. O ESC utilizado é o da SKYWING 120 A.
O rádio controle utilizado possui frequência de operação em 2.4 GHz, classificada como frequência UHF, ultra high frequency, o que é excelente pois possui um alcance muito maior em relação a frequências de operação inferiores. Para resolver problemas relacionados à interferência de frequência nos dias da competição, procuramos evitar o contato da antena do receptor com o interior do casco, pois dificulta a comunicação entre o transmissor e o receptor. O controle utilizado possui comunicação entre até 6 canais de operação, ou seja, consegue trocar informações com até 6 dispositivos em contato com o receptor. Dentre esses, podemos citar o servo motor e o ESC. Foi possível também mudar certas configurações de resposta do controle através de seu software exclusivo, que permite acesso a resposta de ação instantânea do controle, simulando e corrigindo situações reais do uso do mesmo. Vale ressaltar que o controle utilizado não necessita de um receptor secundário, haja vista que o mesmo já é uma versão adaptada da versão original e consegue operar com o uso de apenas um transmissor. O receptor utiliza a alimentação proveniente do ESC, já que o mesmo é diretamente conectado ao suporte energético. Sem isso não seria possível a comunicação entre receptor e transmissor. De posse do receptor e transmissor, foi necessário o uso do bind plug ao receptor para reconhecimento entre os dois componentes de comunicação. O controle e receptor utilizado foi o HobbyKing 2.4Ghz 6Ch Tx & Rx V2 (Mode 2).
O motor especificado pela competição trata-se de um motor brushless Inrunner, onde o mesmo possui como principal característica a ausência de escovas, o que aumenta eficiência e potência do motor. Esse motor é trifásico e é caracterizado por ser um motor indutivo de alta potência, em termos eletrônicos, e por produzir várias rotações por cada volt inserido. Este motor possui o diâmetro de seu eixo com pequena espessura, o que aumenta ainda mais a rotatividade do mesmo. Possui alta potência, cerca de 710 W, e tensão nominal máxima de até 22 V e corrente máxima de até 32 A, o que o classifica como motor de alta potência para nautimodelos.
O Boost Step-Up de tensão trata-se de um conversor DC-DC, cuja principal finalidade étransformar a tensão nominal da bateria sem envolvimento com armazenamento de energia, como já estipulado pela competição. O circuito projetado pela equipe constitui-se de um inversor de frequênciainicialmente, cujo objetivo é converter a tensão DC de uma bateria em uma tensão AC máxima, a fim de retificá-la em um sinal DC novamente, porém para uma outra tensão. Como 11.1 V-12 V é uma faixa de tensão acima da faixa de operação de muitos componentes eletrônicos, baixamos a tensão de entrada com o regulador de tensão 7805, para 5 V. Após isso, ele passa por um multivibrador astável 555, que irá transformar esse sinal DC contínuo em um sinal pulsante alternado com seu circuito capacitivo e resistivo que gera uma oscilação. Vale ressaltar que ao alterar o valor de certas resistências e capacitâncias, alteramos a frequência de trabalho deste circuito. O sinal resultante deste componente não tem forma totalmente definida, então foi necessário o uso de um Flip Flop tipo D. Como a frequência de trabalho é relativamente alta, este componente tem por função copiar o valor máximo e mínimo produzido pelo sinal que irar gerar um sinal de onda quadrada. Ao passar por essas etapas é necessário uma amplificação do sinal e de sua corrente, passando então por um amplificador de potência classe B Push-Pull, que será responsável por isso. Feito todo este processo, o sinal passa por um transformador que irá elevar a tensão de trabalho do circuito. Não tivemos aparatos tecnológicos suficientes para produzir o equipamento projetado pela equipe, então adquirimos um boost step-up de 1200 W suficiente para suportar a descarga máxima da bateria, por precaução. E que nos permite regular a tensão e corrente de saídas por trimmers. Pode-se concluir então, que o mesmo possui características de um circuito de chaveamento de tensão para gerar potência ao sistema, sem possuir nenhuma relação com armazenamento de energia para usos afins.
JAQUETA
A jaqueta de um barco nada mais é que um sistema de refrigeração onde se usa a pressão da hélice para a água entra no sistema, e esta entrará em contato com a parede do motor, e a consequência desta interação entre os dois será que a energia térmica do motor irá ser transferida para a água, portanto a água fria que entrou será devolvida fria e essas transformações de energia irão ocasionar um refrigeração no sistema do barco. Esse sistema
de refrigeramento pode ser fechado ou aberto, a seguir será comentado sobre os dois.
No sistema fechado existe um circuito de água que circula entre o motor e um trocador de calor e um segundo circuito de água, bombeado do mar ou rio, para refrigerar o trocador de calor. A vantagem do circuito fechado em relação ao aberto é que ele evita o contato da água salgada com o motor e com isso a corrosão e um eventual acúmulo de areia ou detritos nas galerias internas do motor, caso o barco navegue muito em locais de baixo calado ou em caso de água muito contaminada, também serão evitados.
No caso do sistema aberto, não existe o trocador de calor e portanto a água do mar ou do rio é bombeada direto pro motor, logo o que se era evitado no sistema fechado não será mais. E a vantagem do sistema aberto em relação ao fechado é o custo menor. É de suma importância que nesse tipo de sistema o fluido de refrigeração, no caso a água, seja resfriada após a troca.
Vale salientar que em barcos leves em que se pretende velocidade alguns motores, como por exemplo o mercruiser, volvo e outros marítimos, já vem com os dois circuitos de refrigeração, um interno e fechado com água doce e movimentado pela própria bomba interna do motor e outro de água bruta, doce ou salgada, movimentada por uma segunda bomba que refrigera o fechado e joga a água na mufla e depois descarga.
Para barcos maiores é recomendado utilizar o cooler que nada mais são que dois canos no fundo do barco por onde a água circula e resfria. Onde dois ferros são soldados de contra o casco, ou tubulão de boa parede, reforçam longitudinalmente o barco e são ligados a um reservatório mais elevado e depois vai para o motor, e a termostática é responsável pelo resto do processo. É importante informar que o cooler independe da eficiência da segunda bomba. Na verdade ele pode ser comparado ao radiador de um carro, mas ao invés de vento e ventoinha, quem faz a refrigeração é a própria água do rio ou do mar.
HÉLICE DE PASSO VARIÁVEL
SUPERESTRUTURA
O design inicial da superestrutura foi feito no software SolidWorks e a superestrutura da embarcação apesar de apenas ter valor estético, foi projetada para ser leve, não influenciando negativamente nos braços de restituição e de vento. O modelo físico possui seu centro de gravidade abaixo do centro vertical,seguindo a ideia de ter maior estabilidade.
Sendo baseado em um tugboat real, batizado de Black Hawk, da empresa de reboque marítimo Sauce Bros., o casco original tem a sua superestrutura na cor branca sentada sobre o casco preto e vermelho,com o centro de operações situado no terceiro andar. No nautimodelo o mesmo padrão é adotado, porém com ajustes nos comprimentos do segundo e terceiro andar, diminuindo a altura em 2mm das proporções reais e a largura em 5mm com a finalidade de diminuir a área lateral e por consequência a influência do vento sobre o casco porém preservando as características estéticas que o diferenciam dos demais projetos, seguindo um padrão de arquitetura muito mais parecido com os Tugboats norte-americanos.
As janelas da superestrutura são feitas de policarbonato, um polímero muito semelhante ao vidro devido a sua transparência porém ao contrário do vidro é altamente resistente ao impacto, boa estabilidade dimensional, boas propriedades elétricas, boa resistência ao escoamento sob carga e às intempéries, resistente a chama.A superestrutura em si foi feita em contraplacado de 11mm de espessura por ser barato,resistente e leve,beneficiando as características citadas acima.