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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.

Nauticam Nautimodelismo
Nauticam Nautimodelismo
Nauticam Nautimodelismo
Nauticam Nautimodelismo
Nauticam Nautimodelismo
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Nauticam Nautimodelismo
Nauticam Nautimodelismo
Nauticam Nautimodelismo
Nauticam Nautimodelismo
Nauticam Nautimodelismo
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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

Dados Definidos da Caixa de Redução

Potência dissipada por estágio

Potência dissipada por estágio

Potência dissipada pelo sistema

Potência dissipada pelo sistema

Materiais e dados

Materiais e dados

Materiais e dados

Materiais e dados

Cálculos dos Pinhões

Cálculos dos Pinhões

Dados de flexão

Dados de flexão

Dados de flexão

Dados de flexão

Cálculo do raio mínimo para os eixos

Cálculo do raio mínimo para os eixos

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

1. Passo1
2. Passo 2
3. Passo 3
4. Passo 4

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.

Nauticam Nautimodelismo
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