Desenvolvimento de um sistema de arrefecimento para cambios CVT utilizados em prototipos BAJA SAE

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<p>Desenvolvimento de um sistema de arrefecimento para câmbios</p><p>CVT utilizados em protótipos BAJA SAE</p><p>Daniel Ryuichi Imaizumi, Thiago Sevilha Riva, Vinicius Riato de Sousa, Vitor Hugo Jose Frabetti</p><p>Orientador: Gustavo Caravita de Andrade</p><p>Resumo: Os câmbios CVT são amplamente utilizados nos protótipos BAJA SAE ao redor do mundo</p><p>devido à sua alta versatilidade. Esse tipo de câmbio necessita estar sob condições de temperatura</p><p>específicas para poder trabalhar adequadamente, sem danificar as suas correias. Esse trabalho</p><p>tem como objetivo desenvolver um novo conjunto de proteção para o câmbio CVT utilizado pelo</p><p>protótipo da equipe USJT BAJA, que funcione também como um sistema de arrefecimento, a fim</p><p>de fornecer uma maior vida útil às correias utilizadas no mesmo. Tal conjunto foi desenvolvido</p><p>utilizando análises CFD baseadas em testes realizados na proteção atualmente utilizada no</p><p>protótipo, analisando possíveis melhorias baseadas em conceitos termodinâmicos simples. As</p><p>melhorias escolhidas foram comprovadas através de experimentos posteriores, seguindo os</p><p>mesmos preceitos dos testes iniciais, criando assim um conjunto eficiente o suficiente para ser</p><p>utilizado pela equipe nas próximas competições, com uma redução de 60% na temperatura medida</p><p>no interior da proteção da CVT.</p><p>Palavras-chave: Arrefecimento, CVT, BAJA.</p><p>Design of a cooling system for BAJA SAE prototypes CVT</p><p>transmissions</p><p>Abstract: CVT transmissions are widely used in BAJA SAE prototypes throughout the world due to</p><p>their versatility. This type of transmission requires specific temperature conditions to work properly,</p><p>without damaging its belts. The work hereby presented intends to develop a new casing for the CVT</p><p>used by the USJT BAJA team in their prototype, using it as a cooling system as well, to provide a</p><p>better environment for the CVT belts. This cooling system was developed through CFD analysis</p><p>backed by tests done on previous cases, simulating possible improvements by taking into</p><p>consideration simple thermodynamic concepts. The selected improvements were later validated</p><p>through tests, following the same procedures from the initial tests, resulting in a setup efficient</p><p>enough to be used by the team on their future competitions, reducing the temperature inside the</p><p>casing by 60%.</p><p>Keywords: Cooling, CVT, BAJA.</p><p>1. Introdução</p><p>Ao menos 1 vez por ano, a SAE Brasil organiza competições Off-Road nas quais estudantes</p><p>dos cursos de engenharia representam suas universidades, projetando e construindo</p><p>protótipos do tipo Minibaja, competindo em provas que avaliam tanto o comportamento</p><p>dinâmico de seus protótipos quanto seus aspectos técnicos. Estas competições se dividem</p><p>em duas etapas, a Nacional, que conta com mais de 80 equipes, e as Regionais Nordeste,</p><p>Sul e Sudeste, que contam com cerca de 30 equipes cada. Todas as equipes estão aptas</p><p>a participar da etapa Nacional, não sendo necessário se classificarem através das etapas</p><p>Regionais. No decorrer da etapa Nacional de 2020, a equipe USJT BAJA deixou de</p><p>competir nas provas dinâmicas devido a falha da correia de sua CVT, que se rompeu</p><p>enquanto a equipe aguardava na fila de realização das provas dinâmicas da competição. O</p><p>regulamento da competição vigente (SAE Brasil, 2021), não permite o retorno aos boxes</p><p>após entrar no ‘Parque Fechado’ para realizar tais provas. Assim, a equipe acabou por zerar</p><p>essa etapa da competição, cujo valor total é de 280 pontos. Falhas similares já ocorreram</p><p>em diversos momentos desde a primeira competição da equipe, levando a perda de mais</p><p>de 4 correias, sendo essa falha da competição Nacional de 2020 a mais grave já sofrida.</p><p>Após breve análise, descobriu-se que essa falha ocorreu devido a elevada temperatura no</p><p>interior da proteção da CVT, que atingiu 122 ºC. Segundo o fabricante, as correias Enduro</p><p>200 ® utilizadas no conjunto entram em falha a partir de 93 ºC (200 F), indicando que as</p><p>falhas das correias utilizadas pela equipe foram causadas por essa temperatura elevada.</p><p>1.1. Justificativa</p><p>Para garantir uma maior vida útil às correias utilizadas e aumentar a competitividade da</p><p>equipe USJT BAJA, surgiu a necessidade de estudar as causas da elevada temperatura no</p><p>interior da proteção da CVT atualmente utilizada e analisar possíveis soluções para este</p><p>problema, implementando ao final do estudo aquela que melhor servir o propósito de reduzir</p><p>a temperatura mencionada.</p><p>1.2. Objetivos</p><p>Antes de seguir com o estudo proposto, devemos definir seus objetivos, possibilitando</p><p>assim medir o sucesso, validade e eficácia das hipóteses levantadas.</p><p>1.2.1. Objetivo Geral</p><p>Para solucionar o problema proposto, a temperatura no interior da proteção da CVT deve</p><p>ser reduzida ao menor valor possível. A temperatura de falha da correia (93°C) representa</p><p>o limite de aprovação, e para que um protótipo seja elegível para fabricação, o mesmo deve</p><p>manter a temperatura no interior da proteção abaixo deste limite.</p><p>1.2.2. Objetivos Específicos</p><p>Este estudo tem o objetivo de reduzir a temperatura no interior da proteção da CVT para o</p><p>menor valor possível, respeitando o regulamento vigente e utilizando simulações CFD para</p><p>reduzir os custos de prototipagem de possíveis melhorias, permitindo testar uma maior</p><p>gama de protótipos e escolhendo mais assertivamente a opção a ser fabricada.</p><p>2. Revisão Bibliográfica</p><p>Nesta Seção serão apresentadas as premissas utilizadas pelo grupo no presente trabalho.</p><p>2.1. USJT BAJA</p><p>A equipe USJT BAJA, representante da Universidade São Judas nas competições de BAJA</p><p>organizadas pela SAE, participa das competições desde 2018 e atualmente conta com 20</p><p>alunos dos cursos de engenharia oferecidos nos diversos campus da IES. Seus membros</p><p>são divididos nos subsistemas: Powertrain, Acionamentos, Elétrica, Suspensão & Direção,</p><p>Manufatura, Design & Ergonomia, Gestão de Projetos e Cálculos Estruturais. A equipe já</p><p>participou de 6 competições, sendo 3 nacionais e 3 regionais, tendo estreado na</p><p>competição Regional Sudeste de 2018 (Figura 1).</p><p>(a) (b)</p><p>Figura 1 - Protótipos USJT BAJA dos anos (a) 2018 e (b) 2022 - Equipe USJT BAJA (2018 e 2022)</p><p>2.2. Câmbio CVT</p><p>Olav Aaen (2007) descreve uma CVT (Continuously Variable Transmission) como um tipo</p><p>especial de câmbio automático que normalmente utiliza duas polias de geometria variável</p><p>e uma correia, gerando assim infinitas combinações de diâmetro, que refletem em infinitas</p><p>relações de redução, limitadas pela sua redução máxima e mínima. A equipe USJT BAJA</p><p>utiliza uma CVT GAGED GX9 ®, que conta com uma correia de borracha, e cujas polias</p><p>são acionadas por um conjunto de pesos centrífugos, rampas e molas.</p><p>2.3. Proteção da CVT</p><p>Segundo o regulamento vigente (SAE Brasil, 2021), todos os elementos rotativos devem</p><p>ser cobertos por uma proteção para resguardar as pessoas próximas caso haja alguma</p><p>falha, inclusive a CVT. Essa proteção deve ser fabricada por uma camada de aço SAE 1010</p><p>com espessura mínima de 1,5 mm, ou por uma camada de alumínio SAE 6061-T6 com</p><p>espessura mínima de 3 mm, podendo ser adicionados outros elementos caso as equipes</p><p>desejem. A equipe USJT BAJA atualmente utiliza uma proteção de aço com 1,5 mm de</p><p>espessura, coberta por uma capa de fibra de vidro com 3 mm de espessura, por estética.</p><p>2.4. Calor e Temperatura</p><p>O calor é definido por Incropera et al. (2008) como energia térmica em trânsito devido a</p><p>uma diferença de temperaturas, fluindo sempre do corpo de maior temperatura para o corpo</p><p>de menor temperatura até atingirem o equilíbrio térmico. Já temperatura é definida como</p><p>uma métrica do nível de calor de um corpo. Segundo Çengel e Boles (2013), a transferência</p><p>de energia na forma de calor ocorre de um corpo para o outro em 3 possíveis formas:</p><p>Radiação, que é a transferência de energia devido à emissão de ondas eletromagnéticas;</p><p>Condução, que é a transferência de energia através do contato</p><p>direto entre dois corpos; E</p><p>Convecção, que é a transferência de energia entre um corpo e um fluido em movimento</p><p>que toca sua superfície, envolvendo os efeitos combinados da condução e do movimento</p><p>do fluido. O calor é transmitido de um corpo para o outro somente se existir uma diferença</p><p>de temperatura entre eles.</p><p>2.5. Leis da Termodinâmica</p><p>Moran e Shapiro (2006) afirmam que segundo a Lei Zero, enquanto dois corpos possuírem</p><p>a mesma temperatura, eles estarão em equilíbrio térmico mesmo se não estiverem em</p><p>contato. Eles também explicam que a 1ª Lei da Termodinâmica garante que energia não</p><p>pode ser criada e nem destruída durante um processo, ela pode apenas mudar de forma.</p><p>Çengel e Boles (2013) denotam que a 2ª Lei da Termodinâmica estabelece condições para</p><p>que as transformações termodinâmicas ocorram, além de determinar que os processos</p><p>sempre ocorrem em uma direção específica, e não em qualquer direção. Esta lei se baseia</p><p>no enunciado de Kelvin, onde é dito que nenhuma máquina térmica pode ter eficiência de</p><p>100%, devido a troca de calor do fluido com o ambiente e com a máquina, e no enunciado</p><p>de Clausius, que diz ser impossível transferir calor de um corpo mais frio para um corpo</p><p>mais quente sem realizar trabalho. Por fim, Çengel e Boles (2013) também descrevem a 3ª</p><p>Lei da Termodinâmica ao mencionar que a entropia de uma substância cristalina pura à</p><p>temperatura de Zero Absoluto (0 K) é zero, visto que as moléculas estão imóveis e com</p><p>energia mínima, o que permite comparar as entropias de ditas substâncias.</p><p>2.6. Convecção Térmica</p><p>A convecção é um método de troca de calor baseado no desequilíbrio térmico entre um</p><p>fluido e um corpo, ou entre dois fluidos. Incropera et al. (2008) aponta que a convecção</p><p>pode ser causada por um escoamento natural (Convecção Natural) ou por um escoamento</p><p>gerado por fatores externos (Convecção Forçada), como um ventilador. A taxa de calor</p><p>transmitido por convecção pode ser calculada através da equação (1).</p><p>Q = h × A × ( Tp − T∞ ) (1)</p><p>Onde Q é a taxa de transferência de calor por convecção (W); h é o coeficiente convectivo</p><p>de troca de calor (W/m2/K); A é a área de troca de calor da superfície sólida (m2); Tp é a</p><p>temperatura da superfície (K) e T∞ é a temperatura do fluido ao longe (K).</p><p>2.7. Sistemas e volumes de controle</p><p>Segundo Çengel e Boles (2013), um sistema é uma quantidade de matéria ou região no</p><p>espaço selecionado para estudo, sendo a matéria ou região fora do sistema chamada de</p><p>vizinhança e a superfície (real ou imaginária) que separa o sistema de sua vizinhança é</p><p>chamada de fronteira. Há sistemas fechados (massa de controle), que consistem em uma</p><p>quantidade fixa de matéria cujo volume pode variar durante o processo, sendo que</p><p>nenhuma matéria pode atravessar sua fronteira, apenas energia na forma de calor ou</p><p>trabalho. Caso nem mesmo energia atravesse essa fronteira, o sistema será chamado de</p><p>sistema isolado. Há também os sistemas abertos (volume de controle), que são regiões</p><p>selecionadas no espaço, e serão os tipos de sistema abordados neste trabalho. Geralmente</p><p>incluem dispositivos que envolvem fluxo de massa, e tanto massa quanto energia podem</p><p>cruzar a sua fronteira. Não existem regras para a seleção de um volume de controle, porém</p><p>ele deve sempre se adequar ao sistema sendo estudado.</p><p>2.8. Computational Fluid Dynamics (CFD) - SOLIDWORKS Flow Simulation ®</p><p>Para Versteeg e Malalasekera (2007) Computational Fluid Dynamics (Fluidodinâmica</p><p>Computacional) ou CFD é um conjunto de técnicas de simulação utilizadas para analisar</p><p>sistemas que envolvem escoamento de fluidos, transferência de calor e reações químicas.</p><p>Estudos baseados em CFD consistem na divisão do volume analisado em pequenas partes,</p><p>pelo método dos volumes finitos, seguida do uso de métodos numéricos para solucionar as</p><p>equações de Navier-Stokes que descrevem o escoamento dos fluidos, tornando possível</p><p>realizar os cálculos relacionados aos fenômenos físico-químicos que podem ocorrer e</p><p>encontrar os esforços aerodinâmicos do domínio analisado. Neste trabalho as análises</p><p>serão realizadas com o uso do software SOLIDWORKS Flow Simulation ®.</p><p>2.9. Propriedades térmicas dos materiais</p><p>Para realizar as simulações CFD corretamente, é necessário conhecer as propriedades</p><p>térmicas dos materiais utilizados. Para Incropera et al. (2008):</p><p>a) Calor específico (J/(kg × K)) é a quantidade de energia térmica necessária para elevar</p><p>uma unidade de temperatura de uma unidade de massa;</p><p>b) Condutividade térmica (W/(m × K)) é uma indicação da taxa de transferência de energia</p><p>pelo processo de difusão;</p><p>c) Coeficiente de expansão térmica (1/K) é um coeficiente de proporcionalidade do material</p><p>em função da temperatura.</p><p>2.9.1. Fibra de vidro</p><p>A fibra de vidro é uma fibra sintética de alta resistência mecânica, composta de milhares de</p><p>fios de vidro agregados por um polímero. Segundo o site MatWeb (2022), ela possui calor</p><p>específico de 810 J/(kg × K), condutividade térmica de 1,3 W/(m × K) e coeficiente de</p><p>expansão térmica de 5×10-6 1/K.</p><p>2.9.2. Borracha (Policloropreno CR)</p><p>O Policloropreno CR é uma borracha vulcanizada com boas propriedades mecânicas,</p><p>utilizado para fabricação de correias para uso automotivo. De acordo com o site Material</p><p>Properties (2022) ela apresenta calor específico de 1300 J/(kg × K), condutividade térmica</p><p>de 0,5 W/(m × K) e coeficiente de expansão térmica de 120×10-6 1/K.</p><p>2.9.3. MDF - Medium Density Fiberboard</p><p>MDF é um material feito à base de madeira, possuindo características semelhantes às da</p><p>madeira comum, porém por uma fração do custo. Ross (2010) indica que o material possui</p><p>calor específico de 1700 J/(kg × K), condutividade térmica de 0,3 W/(m × K) e coeficiente</p><p>de expansão térmica de 12×10-6 1/K.</p><p>2.9.4. Alumínio SAE 6061-T6</p><p>O alumínio SAE 6061-T6 é muito utilizado por ser resistente e possuir uma boa</p><p>conformabilidade. O ASM Metals Handbook (1990) aponta que ele possui calor específico</p><p>de 896 J/(kg × K), condutividade térmica de 180 W/(m × K) e coeficiente de expansão</p><p>térmica de 23,6×10-6 1/K.</p><p>2.9.5. Aço SAE 1020</p><p>O aço SAE 1020 é um dos aços-carbono mais utilizados na engenharia, devido ao seu</p><p>custo-benefício. O ASM Metals Handbook (1990) aponta que ele possui calor específico de</p><p>460 J/(kg × K), condutividade térmica de 51,9 W/(m × K) e coeficiente de expansão térmica</p><p>de 10,5×10-6 1/K.</p><p>2.9.6. Plástico ABS - Acrilonitrila butadieno estireno</p><p>ABS é um copolímero muito utilizado na indústria, especialmente na impressão 3D, por seu</p><p>bom equilíbrio de resistência ao impacto, química e calor, tendo também um excelente</p><p>custo-benefício. Segundo o site MatWeb (2022), ele possui calor específico de 1990</p><p>J/(kg × K), condutividade térmica de 0,2 W/(m × K) e coeficiente de expansão térmica de</p><p>88,9 ×10-6 1/K.</p><p>2.10. Ventoinhas</p><p>Uma ventoinha, segundo Araújo (2009), é um dispositivo constituído por um rotor com pás</p><p>que produzem um fluxo de ar ao girarem, sendo que este fluxo é incompressível, assim</p><p>como ocorre em máquinas hidráulicas, e sua direção e magnitude variam de acordo com o</p><p>formato e a angulação destas pás. Ventoinhas podem ser utilizadas em qualquer sistema</p><p>onde se deseja gerar um fluxo forçado de ar, com a intenção de arrefecer os componentes</p><p>ou ambientes que compõem esse sistema. A Tabela 1 demonstra a diferença entre fluxos</p><p>de convecção natural e fluxos de convecção forçada.</p><p>Tabela 1 - Valores típicos dos valores de coeficiente de transferência de calor por convecção (h)</p><p>Substância</p><p>Convecção Natural</p><p>(W/m2/ K)</p><p>Convecção Forçada</p><p>(W/m2/ K)</p><p>Gases 2-25 25-250</p><p>Líquidos 50-1000 100-20000</p><p>Adaptado de Incropera et al. (2008)</p><p>3. Materiais e Métodos</p><p>Desde seu primeiro protótipo, a equipe USJT BAJA utiliza uma proteção de CVT constituída</p><p>por uma carcaça de aço SAE 1020 com 1,5 mm de espessura, conforme o RATBSB vigente</p><p>e uma tampa de fibra de vidro com 3 mm de espessura para acabamento estético, com</p><p>apenas uma entrada de ar de 50,8</p><p>mm (2 in.), conforme mostra a Figura 2. O conjunto</p><p>nunca contou com um sistema de ventilação, e o uso desta configuração já custou 4</p><p>correias desde a estreia da equipe, porém nenhuma destas falhas foi tão severa quanto a</p><p>da etapa Nacional de 2020 (Figura 3), que motivou o presente estudo. Analisando os</p><p>registros de temperatura no interior da proteção, constatou-se que no momento da falha os</p><p>sensores acusavam 122°C. A seguir, serão descritos os estudos realizados para reduzir</p><p>essa temperatura, evitando a falha precoce de correias no futuro.</p><p>Figura 2 - Renderização em vista explodida da proteção atualmente utilizada - Autoria própria (2022)</p><p>Figura 3 - Correia rompida durante a competição nacional de 2020 - Autoria própria (2022)</p><p>3.1. Testes iniciais</p><p>Antes de estudar possíveis melhorias para o sistema, é necessário documentar e analisar</p><p>a situação atual. Para isso, decidiu-se realizar testes baseados na situação de falha da</p><p>etapa Nacional de 2020, deixando o veículo imóvel, com o motor em marcha lenta (1500</p><p>RPM) durante 1 hora e registrando a temperatura no interior da proteção. Os testes</p><p>relatados a seguir ocorreram na noite de 6 de junho de 2022.</p><p>3.1.1. Teste sem correia (Teste #1)</p><p>Para entender e modelar melhor o sistema estudado, foi realizado um teste inicial em que</p><p>não seria levado em conta o calor gerado pelo escorregamento entre a correia e os pratos</p><p>da polia motora. Nesse teste, foi utilizada uma réplica da polia motora feita em madeira</p><p>(Figura 4) e a polia movida original da CVT. Utilizou-se essa réplica de madeira pois caso</p><p>a polia motora fosse montada sem a correia, ela se quebraria, visto que a correia evita que</p><p>seus pratos se batam, e sua geometria afeta diretamente o fluxo do ar no interior da</p><p>proteção, não sendo válido realizar os testes sem representá-la.</p><p>(a) (b)</p><p>Figura 4 - CVT de madeira (a) montada para teste e (b) vista cortada da mesma - Autoria própria</p><p>(2022)</p><p>Para captação dos dados durante os testes, foi montado um conjunto com 2 sensores</p><p>redundantes do modelo DALLAS - DS18B20 no interior da proteção, e 2 sensores</p><p>redundantes do modelo MLX90614 nas proximidades do cilindro do motor (Figuras 5 e 6).</p><p>A temperatura dos sensores foi medida e registrada a cada 2 segundos, sendo a</p><p>temperatura no interior da proteção e a temperatura do motor determinadas pela média das</p><p>medições de seus respectivos sensores. Os resultados obtidos neste teste são</p><p>apresentados em detalhe na Tabela 2 e na Figura 7.</p><p>(a) (b)</p><p>Figura 5 - Sensores (a) DALLAS - DS18B20 e (b) MLX90614 - Autoria própria (2022)</p><p>(a) (b)</p><p>Figura 6 - Sensores instalados (a) na proteção e (b) no motor - Autoria própria (2022)</p><p>(a) (b)</p><p>Figura 7 - Gráficos do Teste #1 para (a) Temperatura no interior da proteção da CVT e (b)</p><p>Temperatura do motor - Autoria própria (2022)</p><p>Tabela 2 - Detalhamento das temperaturas do Teste #1 apresentadas na Figura 7</p><p>Tempo (min) Tempo (s) Temperatura - Motor (ºC) Temperatura - Proteção (ºC)</p><p>0 0 31 25</p><p>15 900 46 27</p><p>30 1800 50 30</p><p>45 2700 51 31</p><p>60 3600 52 34</p><p>Autoria própria (2022)</p><p>3.1.2. Teste com a CVT completa (Teste #2)</p><p>Após finalizar o teste com a CVT de madeira (Teste #1), foi realizado um segundo teste</p><p>com a CVT montada por completo, medindo a temperatura do sistema em pleno</p><p>funcionamento, com a atuação tanto da temperatura do motor quanto do calor gerado pelo</p><p>escorregamento entre a correia e os pratos da polia motora da CVT (Figura 8). No decorrer</p><p>do teste, alguns ruídos surgiram a partir da marca dos 36 minutos, e ao final do teste,</p><p>durante a desmontagem da CVT, descobriu-se que a correia havia sido danificada (Figura</p><p>9). Os resultados deste teste são apresentados em detalhe na Tabela 3 e na Figura 10.</p><p>(a) (b)</p><p>Figura 8 - CVT montada para o Teste #2 (a) sem e (b) com a tampa da proteção - Autoria própria</p><p>(2022)</p><p>(a) (b)</p><p>Figura 9 - Correia danificada no Teste #2 (a) completa e (b) detalhe da região de falha - Autoria</p><p>própria (2022)</p><p>Tabela 3 - Detalhamento das temperaturas do Teste #2 apresentadas na Figura 10</p><p>Tempo (min) Tempo (s) Temperatura - Motor (ºC) Temperatura - Proteção (ºC)</p><p>0 0 29 21</p><p>15 900 46 47</p><p>30 1800 67 96</p><p>45 2700 74 110</p><p>60 3600 75 113</p><p>Autoria própria (2022)</p><p>(a) (b)</p><p>Figura 10 - Gráficos do Teste #2 para (a) Temperatura no interior da proteção da CVT e (b)</p><p>Temperatura do motor - Autoria própria (2022)</p><p>3.2. Simulações análogas aos testes iniciais</p><p>Neste tópico serão apresentadas simulações análogas aos testes #1 e #2, com o intuito de</p><p>calibrar as simulações posteriores, fornecendo uma base sólida de comparação para as</p><p>melhorias a serem analisadas.</p><p>3.2.1. Modelagem do protótipo para simulação</p><p>Para gerar tais simulações, modelou-se uma versão simplificada do conjunto na qual foram</p><p>inicialmente inseridas as condições capturadas durante o Teste #1, especialmente a</p><p>temperatura inicial da simulação (13 ºC) e as propriedades dos materiais utilizados,</p><p>conforme a Seção 2.9, com referência na Figura 11, aplicando as propriedades da fibra de</p><p>vidro na tampa (a), aço SAE 1020 na cinta (b), base (c) e aquecedor (d), alumínio SAE</p><p>6061-T6 na polia movida (f) e MDF na polia motora (e). Uma Rotating Region (g), com</p><p>rotação anti-horária de 1500 RPM, conforme a marcha lenta do motor, foi adicionada</p><p>estritamente ao redor da polia motora e do eixo do aquecedor, as únicas partes do conjunto</p><p>que rotacionam durante o processo. O aquecedor (d) foi adicionado para representar a área</p><p>do motor que faz contato com a proteção e o seu eixo, sendo nele inserida a temperatura</p><p>coletada pelos sensores do motor durante os testes, através da ferramenta Volume Source</p><p>Temperature. O fluido utilizado foi o ar, com as propriedades já oferecidas no software.</p><p>Figura 11 - Renderização da vista explodida do modelo gerado para as simulações análogas ao Teste</p><p>#1 - Autoria própria (2022)</p><p>3.2.2. Definição dos critérios de análise para as simulações</p><p>Para possibilitar a comparação entre os testes e suas respectivas simulações, foram</p><p>inseridos sketchs no formato de malhas com divisões de 1x1 mm por todo seu comprimento</p><p>(Figura 12), nas posições exatas dos sensores utilizados durante os testes (Figura 13),</p><p>resultando em 238 pontos de medição por sensor, e 476 pontos de medição no total. As</p><p>temperaturas medidas, por sua vez, serão obtidas pela média aritmética das medições em</p><p>cada um destes pontos. Essas medições foram realizadas utilizando a ferramenta Probe do</p><p>SOLIDWORKS Flow Simulation ® (Figura 14), que permite medições pontuais fornecendo</p><p>dados precisos para cada propriedade avaliada no ponto especificado.</p><p>Figura 12 - Malha de medição representando os sensores - Autoria própria (2022)</p><p>(a) (b)</p><p>Figura 13 - Vista (a) superior da posição dos sensores e (b) seu detalhamento - Autoria própria (2022)</p><p>Figura 14 - Medição das temperaturas com o uso da ferramenta Probe - Autoria própria (2022)</p><p>3.2.3. Definição do erro percentual aceitável para as simulações</p><p>Antes de seguir com as simulações, devem ser definidos os parâmetros utilizados para a</p><p>análise de seus resultados, selecionando um valor de erro aceitável para os mesmos,</p><p>auxiliando especialmente na escolha da malha a ser utilizada. Versteeg e Malalasekera</p><p>(2007) apontam que não há uma maneira única e direta de determinar um percentual</p><p>aceitável de erro para uma simulação, ficando essa escolha a critério do analista, de acordo</p><p>com o sistema estudado.</p><p>Sendo assim, foi definido o critério de erro com base nos erros de leitura apresentados nos</p><p>datasheets dos sensores utilizados (±0,5 ºC). Com base nisso, e tomando em conta o valor</p><p>final para a temperatura no interior da proteção obtido no Teste #1 (34 ºC), que será a base</p><p>para a definição</p><p>das malhas, obteve-se o resultado de ±1,47% para o erro percentual</p><p>aceitável. Em teoria, este valor se reduziria conforme as temperaturas fossem se tornando</p><p>maiores, porém nos datasheets mencionados também é dito que a precisão dos sensores</p><p>se mantém apenas até temperaturas próximas a 85 ºC, permitindo que o erro de 1,47%</p><p>seja mantido para todas as simulações a serem apresentadas. Este valor será utilizado</p><p>para comparar os resultados obtidos por cada configuração de malha, sendo escolhida a</p><p>configuração de malha em que os resultados se encontrem dentro desta faixa de erro ao</p><p>compará-los com os valores obtidos em uma malha mais refinada, assim assegurando a</p><p>verossimilidade das simulações sem comprometer seu custo computacional.</p><p>3.2.4. Definição das malhas com base no Teste #1</p><p>Utilizando o modelo e demais critérios definidos até o momento na Seção 3.2, foram</p><p>definidos os parâmetros de malha para as simulações, comparando seus resultados com</p><p>aqueles encontrados no Teste #1.</p><p>3.2.4.1. Simulação dependente do tempo</p><p>Inicialmente, optou-se por realizar uma simulação dependente do tempo, replicando toda a</p><p>extensão do teste realizado, com os valores de temperatura do motor sendo inseridos no</p><p>formato de uma tabela f(t), com a temperatura sendo uma função do tempo de simulação,</p><p>e ajustar as malhas até que a temperatura medida conforme a Seção 3.2.2 atendesse os</p><p>requisitos de erro indicados na Seção 3.2.3, se comparada a temperatura medida nos testes</p><p>para qualquer instante ‘t’.</p><p>Porém, ao iniciar essa simulação, percebeu-se sua inviabilidade, pois mesmo com a malha</p><p>com menor número de elementos possível (381.249 elementos no total, sendo 278.969</p><p>elementos fluídos e 102.280 elementos sólidos), a simulação levou cerca de 50 horas para</p><p>ser concluída, além de ocupar mais de 300 GB da memória do computador utilizado quando</p><p>concluída. Como para realizar as simulações o computador deveria ficar 100% dedicado a</p><p>esta tarefa, esse modelo se tornou inviável.</p><p>3.2.4.2. Simulação estática do ponto crítico do Teste #1</p><p>Tendo em conta o informado na Seção anterior, optou-se por seguir com uma nova</p><p>abordagem, realizando simulações estáticas representando apenas o final do teste,</p><p>adicionando ao aquecedor a temperatura do motor ao fim do Teste #1 (52 ºC), e buscando</p><p>nos pontos definidos na Seção 3.2.2 uma temperatura próxima o suficiente da encontrada</p><p>no interior da proteção no fim deste mesmo teste (34 ºC) para atender os critérios de erro</p><p>definidos na Seção 3.2.3. Optou-se por seguir dessa maneira pois conforme demonstra a</p><p>Seção 3.1.1, esta seria a situação mais crítica encontrada no decorrer do teste, e assim</p><p>ficaria assegurada a real efetividade das soluções testadas.</p><p>A análise das malhas se iniciou com uma malha semelhante à apresentada na Seção</p><p>anterior, porém com um maior refinamento na Rotating Region, apresentando 389.102</p><p>elementos no total, sendo 284.235 elementos fluídos e 104.867 elementos sólidos. As</p><p>malhas foram refinadas dessa maneira, sempre com a Rotating Region possuindo um maior</p><p>refinamento que os demais pontos do Volume de Controle, até alcançar o proposto nas</p><p>Seções 3.2.2 e 3.2.3, através de uma malha com 745.041 elementos no total, sendo</p><p>572.128 elementos fluídos e 172.913 elementos sólidos (Malha A), que levou 5 horas para</p><p>ser processada e apresentou um erro de 0,38% ao ser comparada com o Teste #2 e -0,96%</p><p>quando comparada a malha seguinte (Tabela 4), que contava com 1.156.442 elementos no</p><p>total, sendo 841.073 elementos fluídos e 315.369 elementos sólidos (Malha B) e levou 8</p><p>horas para ser concluída. Assim, ficou definida a utilização da Malha A para as simulações</p><p>apresentadas no decorrer deste estudo.</p><p>Tabela 4 - Comparação dos resultados encontrados nas duas malhas e nos sensores durante o</p><p>Teste #1</p><p>Sensor</p><p>Temperatura (ºC)</p><p>Malha A</p><p>Temperatura (ºC)</p><p>Malha B</p><p>Erro (%) entre</p><p>as malhas</p><p>Erro (%) com base</p><p>nos sensores</p><p>Sensor #1 34,36 34,78 - 1,21 1,06</p><p>Sensor #2 33,90 34,14 - 0,70 - 0,29</p><p>Média 34,13 34,46 - 0,96 0,38</p><p>Autoria própria (2022)</p><p>3.2.5. Resultados da simulação análoga ao Teste #1</p><p>A simulação realizada na Seção 3.2.4.2 obteve o resultado de 34,13 ºC para a temperatura</p><p>medida, atendendo os requisitos apontados na Seção 3.2.3. Os resultados apresentados</p><p>por cada sensor são apresentados em detalhe nas Figuras 15 e 16.</p><p>Figura 15 - Resultado obtido pela malha representando o Sensor #1 - Autoria própria (2022)</p><p>Figura 16 - Resultado obtido pela malha representando o Sensor #2 - Autoria própria (2022)</p><p>3.2.6. Definição do calor gerado pelo escorregamento da correia no Teste #2</p><p>Por ser impossível medir de maneira direta o calor resultante do escorregamento entre os</p><p>pratos da polia motora e a correia, optou-se por calculá-lo através da análise dos testes</p><p>realizados e uma série de simulações auxiliares. Com o pressuposto de que a simulação</p><p>apresentada na Seção 3.2.4.2 trouxe resultados satisfatórios, e considerando que a</p><p>temperatura no interior da proteção é função exclusivamente do calor fornecido pelo motor</p><p>e do calor gerado pelo escorregamento da correia nos pratos da polia motora, foram</p><p>realizadas simulações seguindo as definições das Seções 3.2.1 e 3.2.4.2, porém com</p><p>algumas pequenas modificações. O sistema utilizado para estas simulações (Figura 17)</p><p>conta agora com uma correia (h) com as propriedades da borracha aplicadas a ela e o</p><p>material da polia motora (e) foi alterado para alumínio SAE 6061-T6. Nestas simulações,</p><p>inseriu-se no aquecedor (d) a temperatura do motor ao fim do Teste #2 (75 ºC), e também</p><p>uma potência dissipada (W/m2) utilizando a ferramenta Surface Source Heat Generation</p><p>Rate nas faces do prato da polia motora que fazem contato com a correia (Figura 18).</p><p>Figura 17 - Renderização da vista explodida do modelo gerado para as simulações análogas ao Teste</p><p>#2 - Autoria própria (2022)</p><p>Figura 18 - Faces dos pratos da polia motora em que a dissipação de potência foi aplicada - Autoria</p><p>própria (2022)</p><p>O valor da potência aplicada foi gradualmente aumentado até os pontos de medição das</p><p>simulações alcançarem resultados que superassem os encontrados no Teste #2 (113 ºC),</p><p>para gerar uma curva precisa e capaz de encontrar o valor exato do calor total dissipado</p><p>pelo escorregamento. Durante esta análise, a potência aplicada variou de 0 a 2500 W (0 a</p><p>71191,46 W/m2), e seus resultados podem ser vistos em detalhe na Figura 19 e Tabela 5.</p><p>Figura 19 - Gráfico relacionando a potência dissipada e a temperatura medida nas simulações -</p><p>Autoria própria (2022)</p><p>Tabela 5 - Detalhamento dos resultados do gráfico apresentado na Figura 19</p><p>Potência aplicada (W) Potência aplicada (W/m²) Temperatura (ºC)</p><p>0 0 52,91</p><p>100 2847,66 62,13</p><p>500 14238,29 66,36</p><p>1000 28476,59 76,14</p><p>1500 42714,88 91,50</p><p>2000 56956,17 106,17</p><p>2250 64072,32 119,09</p><p>2500 71191,46 127,48</p><p>Autoria própria (2022)</p><p>A partir deste gráfico foram geradas 7 equações, cujos resultados foram comparados</p><p>quanto a proximidade com relação aos valores obtidos nas simulações, verificando assim</p><p>qual seria a mais acurada para fornecer a potência dissipada no sistema real (Tabela 6).</p><p>Tabela 6 - Comparação dos resultados das equações geradas</p><p>Potência aplicada</p><p>(W/m²)</p><p>Eq. A</p><p>(ºC)</p><p>Eq. B</p><p>(ºC)</p><p>Eq. C</p><p>(ºC)</p><p>Eq. D</p><p>(ºC)</p><p>Eq. E</p><p>(ºC)</p><p>Eq. F</p><p>(ºC)</p><p>Eq. G</p><p>(ºC)</p><p>0 56,04 53,20 56,71 56,14 55,36 54,51 52,89</p><p>2847,66 57,65 56,05 58,19 58,12 58,41 60,07 61,77</p><p>14238,29 64,61 67,44 65,25 66,10 66,69 77,35 59,51</p><p>28476,59 74,50 81,69 76,63 76,88 73,93 112,99 76,99</p><p>42714,88 85,90 95,92 90,84 89,67 83,80 179,55 199,23</p><p>56956,17 99,04 110,16 107,89 105,69 97,09 282,32 576,75</p><p>64072,32 106,35 117,27 117,49 115,30 103,65 352,32 929,18</p><p>71191,46 114,20 124,39 127,79 126,16 108,67 441,77 1433,75</p><p>Autoria própria (2022)</p><p>Conforme demonstrado, a equação que mais se aproxima dos valores simulados é a</p><p>equação C, com um erro médio de 2,47%. Com o uso desta equação (2), apresentada</p><p>abaixo, concluiu-se que a faixa de potência</p><p>que atenderia os valores obtidos nos testes</p><p>seria a de 2122,45 W (60440 W/m2) a 2148,43 W (61180 W/m2).</p><p>T = 7 × 10−9 × Q2 + 0,0005 × Q + 56,712 (2)</p><p>Utilizando esta faixa de potências, foram realizadas novas simulações com variação gradual</p><p>da potência, ficando definido que a potência total dissipada no sistema foi de 2143,52 W</p><p>(61040 W/m2), que aponta uma temperatura final de 113,31 °C, com um erro de 0,27% com</p><p>relação ao Teste #2, se adequando aos critérios de erro da Seção 3.2.3. Os resultados</p><p>desta simulação podem ser vistos na Tabela 7 e nas Figuras 20 e 21.</p><p>Figura 20 - Resultado obtido pela malha representando o Sensor #1 - Autoria própria (2022)</p><p>Figura 21 - Resultado obtido pela malha representando o Sensor #2 - Autoria própria (2022)</p><p>Tabela 7 – Detalhamento das temperaturas demonstradas nas Figuras 20 e 21</p><p>Sensor Temperatura (ºC)</p><p>Sensor #1 116,87</p><p>Sensor #2 109,75</p><p>Média 113,31</p><p>Autoria própria (2022)</p><p>3.2.6.1. Validação da taxa de dissipação de calor encontrada</p><p>Por não haver variação na rotação do motor durante os testes, é possível afirmar que o</p><p>calor do sistema foi dissipado com uma taxa constante no decorrer de todo o teste. Assim,</p><p>pode-se dizer que a taxa de dissipação deste calor é de 0,60 W (16,96 W/m2). Para validar</p><p>essa taxa, foram realizadas novas simulações semelhantes às apresentadas até o</p><p>momento na Seção 3.2.6, porém representando o Teste #2 nos marcos de 15, 30 e 45</p><p>minutos. As potências aplicadas em cada simulação, seus resultados e respectivos erros</p><p>comparados ao Teste #2, são mostrados em detalhe na Tabela 8. Conforme demonstrado,</p><p>os valores encontrados atendem os critérios de erro da Seção 3.2.3, validando a taxa de</p><p>dissipação de calor encontrada.</p><p>Tabela 8 - Variação de temperatura e calor dissipado com base no tempo</p><p>Tempo</p><p>(min)</p><p>Temp.</p><p>Motor (ºC)</p><p>Pot. dissipada</p><p>(W)</p><p>Temp.</p><p>Sensor (ºC)</p><p>Temp.</p><p>Simulação (ºC)</p><p>Erro</p><p>(%)</p><p>0 29 0 21 21,17 0,80</p><p>15 46 535,88 47 47,13 0,28</p><p>30 67 1071,76 96 96,27 0,28</p><p>45 74 1607,64 110 110,33 0,30</p><p>60 75 2143,52 113 113,31 0,27</p><p>Autoria própria (2022)</p><p>4. Resultados e Discussão</p><p>Para cumprir com os objetivos propostos neste trabalho, foi realizada uma série de</p><p>simulações testando possíveis melhorias para o sistema estudado, criando assim um novo</p><p>conjunto de proteção para a CVT.</p><p>4.1. Simulações do sistema com melhorias</p><p>Com o objetivo de testar as melhorias apresentadas de maneira efetiva, foram gerados</p><p>diversos protótipos utilizando o software SOLIDWORKS ®, os quais foram submetidos a</p><p>simulações seguindo os moldes das apresentadas na Seção 3.2.6. Tal cenário foi escolhido</p><p>para garantir que as melhorias serão testadas no pior cenário já encontrado pela equipe,</p><p>responsável por levar duas correias à falha completa. Estas simulações serão comparadas</p><p>quanto a temperatura nos seguintes pontos:</p><p>a) 5 pontos distribuídos na secção longitudinal da entrada de ar (Figura 22);</p><p>b) 5 pontos distribuídos na secção longitudinal da saída de ar, caso exista (Figura 22);</p><p>Figura 22 - Pontos de medição nos bocais de entrada e saída de ar - Autoria própria (2022)</p><p>c) 24 pontos distribuídos no contorno da correia, sendo 12 no seu interior e 12 no seu</p><p>exterior (Figura 23);</p><p>Figura 23 - Pontos de medição no contorno da correia - Autoria própria (2022)</p><p>d) 63 pontos espalhados de maneira uniforme ao longo das 2 secções transversais da polia</p><p>motora, referenciadas com base no plano médio e no plano frontal do conjunto (Figura 24);</p><p>(a) (b)</p><p>Figura 24 - Pontos de medição ao redor da polia motora nos planos (a) médio e (b) frontal - Autoria</p><p>própria (2022)</p><p>e) 98 pontos na região dos sensores, sendo 49 pontos por sensor, que contemplam as 2</p><p>colunas iniciais de cada extremo e as 3 colunas do meio (colunas 1, 2, 16, 17, 18, 33 e 34)</p><p>da malha de medição (Figura 25). Esse conjunto foi escolhido pois apresenta um valor muito</p><p>próximo do valor encontrado com os 476 pontos totais do conjunto (Tabela 9), reduzindo</p><p>assim o tempo necessário para processar os resultados de cada simulação;</p><p>Figura 25 - Pontos de medição dos sensores com as colunas escolhidas destacadas em vermelho -</p><p>Autoria própria (2022)</p><p>Tabela 9 - Comparação do erro entre as duas metodologias de medição, baseado na simulação da</p><p>Seção 3.2.4.2</p><p>Sensor</p><p>Temp. utilizando todos</p><p>os 476 pontos (ºC)</p><p>Temp. utilizando apenas os</p><p>pontos selecionados (ºC)</p><p>Erro (%)</p><p>Sensor #1 34,36 34,34 - 0,06</p><p>Sensor #2 33,90 33,93 0,09</p><p>Média 34,13 34,14 0,03</p><p>Autoria própria (2022)</p><p>f) 24 pontos nas faces dos pratos da polia motora que fazem contato com a correia, sendo</p><p>12 pontos por prato, espalhados pelos seus eixos ortogonais (Figura 26). Exclusivamente</p><p>nesses pontos, será avaliado também o coeficiente de convecção (h), comparando a</p><p>efetividade de cada solução em remover o calor dissipado nesta região.</p><p>Figura 26 - Pontos de medição na face de um dos pratos da polia motora - Autoria própria (2022)</p><p>Entende-se que caso a simulação de algum dos protótipos resulte em temperaturas</p><p>inferiores aos limites da correia nesses pontos, especialmente nos pontos apresentados em</p><p>(c) e (d), tal protótipo resolve o problema proposto. O protótipo que apresentar os menores</p><p>valores será posteriormente fabricado e testado, validando os resultados de sua simulação.</p><p>A seguir, as opções testadas serão apresentadas junto de seus respectivos resultados,</p><p>sendo acrescentadas melhorias graduais conforme seu impacto nos resultados</p><p>apresentados. Todas as simulações seguirão os moldes da simulação apresentada na</p><p>Seção 3.2.6, a não ser que alguma alteração seja especificada, e para facilitar a</p><p>interpretação de seus resultados, os pontos de medição serão identificados nas tabelas de</p><p>acordo com o apresentado no decorrer da Seção 4.1, junto de uma vista do plano médio do</p><p>protótipo mostrando os resultados de sua respectiva simulação.</p><p>4.1.1. Resultados da proteção original</p><p>Como base de comparação para os resultados das próximas simulações, a Figura 27 e a</p><p>Tabela 10 mostram em detalhes os resultados da simulação apresentada na Seção 3.2.6.</p><p>Figura 27 - Resultado da simulação da proteção original - Autoria própria (2022)</p><p>Tabela 10 - Detalhamento dos resultados da simulação da proteção original</p><p>Temp. A</p><p>(ºC)</p><p>Temp. B</p><p>(ºC)</p><p>Temp. C</p><p>(ºC)</p><p>Temp. D</p><p>(ºC)</p><p>Temp. E</p><p>(ºC)</p><p>Temp. F</p><p>(ºC)</p><p>Coef. de convecção</p><p>(W/m2/K)</p><p>102,31 N/A 148,37 154,42 113,31 202,95 6,64</p><p>Autoria própria (2022)</p><p>4.1.2. Remoção da tampa de fibra de vidro</p><p>Iniciando o trabalho de melhorar o conjunto atual, foi removida a tampa de fibra de vidro</p><p>(item ‘a’ da Figura 17) conforme demonstrado na Figura 28, permitindo assim uma melhor</p><p>troca de calor entre o ar quente no interior da proteção e o ar frio ao seu redor. Os resultados</p><p>desta modificação podem ser vistos na Figura 29 e na Tabela 11.</p><p>Figura 28 - Renderização da vista explodida do conjunto sem a tampa de fibra de vidro - Autoria</p><p>própria (2022)</p><p>Figura 29 - Resultado da simulação do conjunto sem a tampa de fibra de vidro - Autoria própria</p><p>(2022)</p><p>Tabela 11 - Detalhamento dos resultados da simulação do conjunto sem a tampa de fibra de vidro</p><p>Temp. A</p><p>(ºC)</p><p>Temp. B</p><p>(ºC)</p><p>Temp. C</p><p>(ºC)</p><p>Temp. D</p><p>(ºC)</p><p>Temp. E</p><p>(ºC)</p><p>Temp. F</p><p>(ºC)</p><p>Coef. de convecção</p><p>(W/m2/K)</p><p>116,45 N/A 139,45 158,80 105,58 195,80 6,78</p><p>Autoria própria (2022)</p><p>4.1.3. Inserção de uma saída de ar na cinta de aço SAE 1020</p><p>Com o intuito de criar uma rota de escoamento para o ar no interior da proteção, permitindo</p><p>a troca do mesmo e auxiliando na remoção do calor do sistema, foi inserido na cinta de aço</p><p>(item ‘a’ da Figura 30) um bocal com diâmetro de 50,8 mm (2 in.) concêntrico ao eixo de</p><p>rotação da polia movida, agindo como uma saída para esse ar. Os resultados da inclusão</p><p>desta saída de ar são apresentados na Figura 31 e na Tabela 12.</p><p>Figura</p><p>30 - Renderização da vista explodida do conjunto com a saída de ar - Autoria própria (2022)</p><p>Figura 31 - Resultado da simulação do conjunto com a saída de ar - Autoria própria (2022)</p><p>Tabela 11 – Detalhamento dos resultados da simulação do conjunto com a saída de ar</p><p>Temp. A</p><p>(ºC)</p><p>Temp. B</p><p>(ºC)</p><p>Temp. C</p><p>(ºC)</p><p>Temp. D</p><p>(ºC)</p><p>Temp. E</p><p>(ºC)</p><p>Temp. F</p><p>(ºC)</p><p>Coef. de convecção</p><p>(W/m2/K)</p><p>121,31 113,02 145,76 164,68 110,68 190,25 7,13</p><p>Autoria própria (2022)</p><p>4.1.4. Troca do material da cinta para alumínio SAE 6061-T6</p><p>Para uma troca de calor ainda melhor entre o interior e o exterior da proteção através de</p><p>suas paredes, o material de construção da cinta (item ‘a’ da Figura 32-a) foi trocado para</p><p>alumínio SAE 6061-T6 com 3 mm de espessura, em acordo com o RATBSB vigente,</p><p>aplicando na simulação as propriedades indicadas na Seção 2.9. Também foi alterada a</p><p>geometria do fundo da cinta, eliminando a necessidade do uso da base (item ‘b’ da Figura</p><p>30) e tornando o conjunto mais simples de ser fabricado, conforme Figura 32-b. Os</p><p>resultados obtidos nesta simulação são apresentados na Figura 33 e na Tabela 12.</p><p>(a) (b)</p><p>Figura 32 - Renderização da vista explodida do conjunto com (a) cinta de alumínio e (b) detalhe do</p><p>fundo da mesma - Autoria própria (2022)</p><p>Figura 33 - Resultado da simulação do conjunto com a cinta de alumínio - Autoria própria (2022)</p><p>Tabela 12 - Detalhamento dos resultados da simulação do conjunto com a cinta de alumínio</p><p>Temp. A</p><p>(ºC)</p><p>Temp. B</p><p>(ºC)</p><p>Temp. C</p><p>(ºC)</p><p>Temp. D</p><p>(ºC)</p><p>Temp. E</p><p>(ºC)</p><p>Temp. F</p><p>(ºC)</p><p>Coef. de convecção</p><p>(W/m2/K)</p><p>99,60 90,05 131,22 158,86 102,82 182,20 7,33</p><p>Autoria própria (2022)</p><p>4.1.5. Adição de um isolante térmico feito de fibra de vidro</p><p>Com a intenção de diminuir o efeito do calor do motor no sistema, foi inserido um espaçador</p><p>com 4,5 mm de espessura (item ‘b’ da Figura 34) entre o motor e a proteção, atuando como</p><p>um isolante térmico no sistema, sendo nele aplicadas as propriedades da fibra de vidro</p><p>vistas na Seção 2.9. A fibra de vidro foi escolhida para este isolante devido a sua baixa</p><p>condutividade térmica, e a espessura definida é a maior possível, sem deslocar a proteção</p><p>de maneira exagerada, ao ponto de atrapalhar o movimento dos braços da suspensão</p><p>traseira. Os resultados desta simulação se encontram na Figura 35 e na Tabela 13.</p><p>Figura 34 - Renderização da vista explodida do conjunto com a adição do isolante de fibra de vidro -</p><p>Autoria própria (2022)</p><p>Figura 35 - Resultado da simulação do conjunto com a adição do isolante de fibra de vidro - Autoria</p><p>própria (2022)</p><p>Tabela 13 - Detalhamento dos resultados da simulação do conjunto com a adição do isolante de fibra</p><p>de vidro</p><p>Temp. A</p><p>(ºC)</p><p>Temp. B</p><p>(ºC)</p><p>Temp. C</p><p>(ºC)</p><p>Temp. D</p><p>(ºC)</p><p>Temp. E</p><p>(ºC)</p><p>Temp. F</p><p>(ºC)</p><p>Coef. de convecção</p><p>(W/m2/K)</p><p>63,17 92,59 131,26 142,23 100,36 180,98 7,41</p><p>Autoria própria (2022)</p><p>4.1.6. Testes com ventoinhas</p><p>Para promover um escoamento mais efetivo do ar no interior da proteção, testou-se a</p><p>adição de alguns modelos de ventoinhas (item ‘f’ das Figuras 36, 38 e 40) ao sistema, com</p><p>as propriedades do plástico ABS, encontradas na Seção 2.9, atribuídas a elas. A Rotating</p><p>Region foi alongada em cada caso, para comportar a ventoinha sendo testada, e ditas</p><p>ventoinhas foram projetadas visando a melhor acomodação possível no espaço disponível.</p><p>4.1.6.1. Ventoinha axial horária</p><p>No primeiro teste, foi utilizada uma ventoinha com pás anguladas em 185° e orientadas no</p><p>sentido horário, inspirada nos microventiladores usados na refrigeração de bicos extrusores</p><p>em impressoras 3D. O modelo simulado pode ser visto na Figura 36, e seus resultados são</p><p>demonstrados na Figura 37 e na Tabela 14.</p><p>Figura 36 - Renderização da vista explodida do conjunto com a adição da ventoinha axial horária -</p><p>Autoria própria (2022)</p><p>Figura 37 - Resultado da simulação do conjunto com a adição da ventoinha axial horária - Autoria</p><p>própria (2022)</p><p>Tabela 14 - Detalhamento dos resultados da simulação do conjunto com a adição da ventoinha axial</p><p>horária</p><p>Temp. A</p><p>(ºC)</p><p>Temp. B</p><p>(ºC)</p><p>Temp. C</p><p>(ºC)</p><p>Temp. D</p><p>(ºC)</p><p>Temp. E</p><p>(ºC)</p><p>Temp. F</p><p>(ºC)</p><p>Coef. de convecção</p><p>(W/m2/K)</p><p>26,87 62,69 98,71 102,42 60,86 172,65 8,78</p><p>Autoria própria (2022)</p><p>4.1.6.2. Ventoinha axial anti-horária</p><p>Neste teste, também foi adicionada uma ventoinha com pás anguladas em 185°, porém</p><p>agora orientadas no sentido anti-horário. O modelo simulado pode ser visto na Figura 38, e</p><p>seus resultados são demonstrados na Figura 39 e na Tabela 15.</p><p>Figura 38 - Renderização da vista explodida do conjunto com a adição da ventoinha axial anti-horária</p><p>- Autoria própria (2022)</p><p>Figura 39 - Resultado da simulação do conjunto com a adição da ventoinha axial anti-horária -</p><p>Autoria própria (2022)</p><p>Tabela 15 - Detalhamento dos resultados da simulação do conjunto com a adição da ventoinha axial</p><p>anti-horária</p><p>Temp. A</p><p>(ºC)</p><p>Temp. B</p><p>(ºC)</p><p>Temp. C</p><p>(ºC)</p><p>Temp. D</p><p>(ºC)</p><p>Temp. E</p><p>(ºC)</p><p>Temp. F</p><p>(ºC)</p><p>Coef. de convecção</p><p>(W/m2/K)</p><p>18,48 80,91 93,99 106,79 85,82 159,53 10,87</p><p>Autoria própria (2022)</p><p>4.1.6.3. Ventoinha centrífuga</p><p>Neste teste foi adicionada uma ventoinha centrífuga, cujas pás não possuem uma</p><p>orientação específica e contam com uma angulação de 90°, inspirada nas ventoinhas</p><p>utilizadas para refrigeração de motores elétricos. O modelo simulado pode ser visto na</p><p>Figura 40, e seus resultados são demonstrados na Figura 41 e na Tabela 16.</p><p>Figura 40 - Renderização da vista explodida do conjunto com a adição da ventoinha centrífuga -</p><p>Autoria própria (2022)</p><p>Figura 41 - Resultado da simulação do conjunto com a adição da ventoinha centrífuga - Autoria</p><p>própria (2022)</p><p>Tabela 16 - Detalhamento dos resultados da simulação do conjunto com a adição da ventoinha</p><p>centrífuga</p><p>Temp. A</p><p>(ºC)</p><p>Temp. B</p><p>(ºC)</p><p>Temp. C</p><p>(ºC)</p><p>Temp. D</p><p>(ºC)</p><p>Temp. E</p><p>(ºC)</p><p>Temp. F</p><p>(ºC)</p><p>Coef. de convecção</p><p>(W/m2/K)</p><p>14,10 55,74 77,75 91,97 67,74 133,57 11,99</p><p>Autoria própria (2022)</p><p>4.2. Comparação entre os resultados dos protótipos testados</p><p>Para facilitar a análise e comparação dos resultados apresentados na Seção 4.1, as</p><p>temperaturas e coeficientes de convecção encontrados em cada simulação foram</p><p>compilados na Tabela 17. Para melhor referenciar os resultados apresentados com suas</p><p>respectivas simulações, elas serão identificadas na tabela de acordo com sua Seção</p><p>correspondente. Como pode ser notado, a configuração que melhor atende os objetivos</p><p>propostos é a da Seção 4.1.6.3 (conjunto de proteção utilizando a cinta de alumínio,</p><p>combinada com o isolante de fibra de vidro e a ventoinha centrífuga), que apresenta as</p><p>menores temperaturas, sendo a única a manter todos os pontos de medição abaixo do</p><p>limite de falha da correia, com exceção da face dos pratos da polia motora, além de</p><p>apresentar o maior coeficiente de convecção dentre todos os protótipos avaliados.</p><p>Tabela 17 - Comparação das temperaturas encontradas nas simulações apresentadas</p><p>Seção</p><p>referente</p><p>Temp. A</p><p>(ºC)</p><p>Temp. B</p><p>(ºC)</p><p>Temp. C</p><p>(ºC)</p><p>Temp. D</p><p>(ºC)</p><p>Temp. E</p><p>(ºC)</p><p>Temp. F</p><p>(ºC)</p><p>Coef. de convecção</p><p>(W/m2/K)</p><p>4.1.1 102,31 N/A 148,37 154,42 113,31 202,95 6,64</p><p>4.1.2 116,45 N/A 139,45 158,80 105,58 195,80 6,78</p><p>4.1.3 121,31 113,02 145,76 164,68 110,68 190,25 7,13</p><p>4.1.4 99,60 90,05 131,22 158,86 102,82 182,20 7,33</p><p>4.1.5 63,17 92,59 131,26 142,23 100,36 180,98 7,41</p><p>4.1.6.1 26,87 62,69 98,71 102,42 60,86 172,65 8,78</p><p>4.1.6.2 18,48 80,91 93,99 106,79 85,82 159,53 10,87</p><p>4.1.6.3 14,10 55,74 77,75 91,97 67,74 133,57 11,99</p><p>Autoria própria (2022)</p><p>4.3. Construção do novo conjunto de proteção da CVT</p><p>Foi construído um conjunto segundo o modelo vencedor, que pode ser visto em detalhes</p><p>nas Figuras 42 a 45.</p><p>Figura 42 - Renderização da vista explodida do conjunto construído - Autoria própria (2022)</p><p>(a)</p><p>(b)</p><p>Figura 43 - Fotos (a) da ventoinha e (b) do isolante de fibra de vidro utilizados - Autoria própria (2022)</p><p>(a) (b)</p><p>Figura 44 - Fotos (a) da cinta e (b) do fundo da proteção de alumínio fabricada - Autoria própria</p><p>(2022)</p><p>(a) (b)</p><p>Figura 45 - Fotos (a) da nova proteção montada e (b) da sua vista superior - Autoria própria (2022)</p><p>4.4. Teste do novo conjunto de proteção da CVT (Teste #3)</p><p>O modelo construído foi testado na noite de 24 de setembro de 2022, replicando o teste</p><p>descrito na Seção 3.1.2, para validar a sua real eficácia. Os sensores foram instalados</p><p>conforme a Figura 46, e o conjunto montado para teste pode ser visto na Figura 47. Após</p><p>1 hora de teste, foram obtidos os resultados apresentados na Figura 48 e na Tabela 18.</p><p>(a) (b)</p><p>Figura 46 - Sensores instalados (a) na proteção nova e (b) no motor - Autoria própria (2022)</p><p>(a) (b)</p><p>Figura 47 - CVT montada para o Teste #3 (a) sem e (b) com a tampa da proteção - Autoria própria</p><p>(2022)</p><p>(a) (b)</p><p>Figura 48 - Gráficos do Teste #3 para (a) Temperatura no interior da proteção da CVT e (b)</p><p>Temperatura do motor - Autoria própria (2022)</p><p>Tabela 18 - Detalhamento das temperaturas do Teste #3 apresentadas na Figura 48</p><p>Tempo (min) Tempo (s) Temperatura - Motor (ºC) Temperatura - Proteção (ºC)</p><p>0 0 32 22</p><p>15 900 54 36</p><p>30 1800 62 41</p><p>45 2700 62 46</p><p>60 3600 63 46</p><p>Autoria própria (2022)</p><p>4.5. Comparação entre Teste #3 e sua simulação original (Seção 4.1.6.3)</p><p>Como pode ser notado, os valores medidos no Teste #3 são ainda mais baixos que os</p><p>apresentados durante as simulações. Isso se dá especialmente pela diferença nas</p><p>temperaturas medidas no motor, ao comparar os testes #2 (75 °C) e #3 (63 °C), e na</p><p>temperatura ambiente, que mudou de 13 °C (Teste #2) para 7 °C (Teste #3). Os sensores</p><p>do interior da proteção também estavam em posições diferentes em cada um dos testes.</p><p>Foi adicionada então uma malha de medição conforme a Seção 3.2.2, porém agora na</p><p>posição dos sensores utilizados no Teste #3 (Figura 49), aferindo a temperatura apontada</p><p>por eles na simulação da Seção 4.1.6.3, cujo valor de 66,78 °C ainda é muito distante do</p><p>valor encontrado durante o Teste #3, com uma diferença de apenas 1,42% com relação a</p><p>temperatura medida com os sensores na posição do Teste #2. Os resultados da simulação</p><p>obtidos nos pontos dos sensores antigos são detalhados nas Figuras 50 e 51, bem como</p><p>na Tabela 19, enquanto os resultados encontrados nos pontos dos sensores novos são</p><p>mostrados nas Figuras 52 e 53 e na Tabela 20.</p><p>(a) (b)</p><p>Figura 49 - Vista (a) superior da posição dos sensores novos e (b) seu detalhamento - Autoria</p><p>própria (2022)</p><p>Figura 50 - Resultado obtido pela malha representando o Sensor #1 da proteção antiga - Autoria</p><p>própria (2022)</p><p>Figura 51 - Resultado obtido pela malha representando o Sensor #2 da proteção antiga - Autoria</p><p>própria (2022)</p><p>Tabela 19 - Detalhamento das temperaturas demonstradas nas Figuras 50 e 51</p><p>Sensor Temperatura (ºC)</p><p>Sensor #1 69,58</p><p>Sensor #2 65,91</p><p>Média 67,75</p><p>Autoria própria (2022)</p><p>Figura 52 - Resultado obtido pela malha representando o Sensor #1 da proteção nova - Autoria</p><p>própria (2022)</p><p>Figura 53 - Resultado obtido pela malha representando o Sensor #2 da proteção nova - Autoria</p><p>própria (2022)</p><p>Tabela 20 - Detalhamento das temperaturas demonstradas nas Figuras 52 e 53</p><p>Sensor Temperatura (ºC)</p><p>Sensor #1 67,91</p><p>Sensor #2 65,65</p><p>Média 66,78</p><p>Autoria própria (2022)</p><p>4.6. Simulação análoga ao Teste #3</p><p>Devido a divergência entre a temperatura encontrada na simulação da Seção 4.1.6.3 e o</p><p>valor medido durante o Teste #3, faz-se necessário realizar uma nova simulação, seguindo</p><p>o proposto na Seção 3.2.6, porém agora inserindo no aquecedor a temperatura do motor</p><p>adquirida no Teste #3 (63 ºC) e a temperatura ambiente da data do teste (7 ºC), gerando</p><p>assim uma simulação análoga ao Teste #3, e obtendo os resultados mostrados em detalhe</p><p>nas Figuras 54 e 55 e na Tabela 21.</p><p>Figura 54 - Resultado obtido pela malha representando o Sensor #1 da proteção nova - Autoria</p><p>própria (2022)</p><p>Figura 55 - Resultado obtido pela malha representando o Sensor #2 da proteção nova - Autoria</p><p>própria (2022)</p><p>Tabela 21 - Detalhamento das temperaturas demonstradas nas Figuras 54 e 55</p><p>Sensor Temperatura (ºC)</p><p>Sensor #1 46,48</p><p>Sensor #2 45,02</p><p>Média 45,75</p><p>Autoria própria (2022)</p><p>Os valores encontrados atingem os critérios de erro estabelecidos na Seção 3.2.3, com um</p><p>erro de -0,54% ao serem comparados com os resultados do Teste #3, novamente</p><p>reforçando a validade do estudo realizado e de seus resultados. Adicionalmente, a Figura</p><p>56 e a Tabela 22 mostram os resultados desta nova simulação nos moldes utilizados na</p><p>apresentação dos resultados das simulações da Seção 4.1, para fins de comparação.</p><p>Figura 56 - Resultado da simulação análoga ao Teste #3 - Autoria própria (2022)</p><p>Tabela 22 - Detalhamento dos resultados da simulação análoga ao Teste #3</p><p>Temp. A</p><p>(ºC)</p><p>Temp. B</p><p>(ºC)</p><p>Temp. C</p><p>(ºC)</p><p>Temp. D</p><p>(ºC)</p><p>Temp. E</p><p>(ºC)</p><p>Temp. F</p><p>(ºC)</p><p>Coef. de convecção</p><p>(W/m2/K)</p><p>10,25 32,69 60,39 71,27 45,75 120,12 16,50</p><p>Autoria própria (2022)</p><p>5. Considerações finais e conclusões</p><p>Finalizando o presente trabalho, seguem algumas das considerações finais do grupo.</p><p>5.1. Conclusão</p><p>Através do exposto no decorrer deste trabalho, é possível atestar que o novo conjunto de</p><p>proteção da CVT desenvolvido para a equipe USJT BAJA, que conta com uma cinta de</p><p>alumínio, uma ventoinha centrífuga e um isolante de fibra de vidro é uma excelente solução</p><p>para o problema proposto, alcançando resultados que superam seus requisitos.</p><p>O conjunto desenvolvido atinge uma temperatura 67 °C (59,29%) menor do que a inicial,</p><p>comparando os resultados dos sensores nos testes #2 e #3. Ao comparar os resultados</p><p>das simulações análogas a estes testes, nota-se uma redução de 87,98 ºC (59,30%) nos</p><p>pontos de medição ao redor da correia, uma redução de 83,15 ºC (53,85%) nos pontos de</p><p>medição ao redor da polia motora, e uma redução de 82,83 ºC (40,81%) na temperatura da</p><p>face dos pratos da polia motora, além de um aumento de 9,86 W/m2/K (148,49%) no</p><p>coeficiente de convecção do sistema. Tais melhorias resultam em um conjunto que mantém</p><p>até mesmo a região de maior temperatura dentro do sistema (região ao redor da polia</p><p>motora) 21,73 °C (23,37%) abaixo do limite de falha da correia, assegurando uma maior</p><p>durabilidade as correias utilizadas pela equipe, que sem dúvidas será um grande diferencial</p><p>nas próximas competições.</p><p>5.2. Últimas considerações</p><p>Imagina-se que o sucesso do modelo proposto se dá pelo escoamento de ar gerado pela</p><p>ventoinha centrífuga adicionada ao conjunto, que gera um fluxo capaz de renovar o ar</p><p>circulante de maneira constante e remover uma boa quantidade de calor da superfície dos</p><p>pratos da polia motora, atingindo um coeficiente de convecção quase três vezes maior que</p><p>o do protótipo inicial, que leva a redução do acúmulo de calor no sistema. Esse maior</p><p>coeficiente de convecção se torna ainda mais importante ao levar em consideração o fato</p><p>de que a falha da correia não ocorre de maneira imediata, mas sim através do gradual</p><p>aumento de temperatura no interior do sistema, devido principalmente ao acúmulo do calor</p><p>dissipado pelos pratos da polia motora, e quanto maior for este coeficiente de convecção,</p><p>menor vai ser o acúmulo de calor no sistema. Ao observar o gráfico da temperatura no</p><p>interior da proteção medida durante o Teste #3 (Figura 48-a)</p><p>é possível até mesmo afirmar</p><p>que o sistema atingiu um estado de equilíbrio, removendo o calor do sistema numa taxa</p><p>que lhe permite funcionar por tempo indeterminado nestas condições, sem ocorrer falha na</p><p>correia. Além disso, a cinta de alumínio aparenta agir como uma grande aleta para o motor,</p><p>reduzindo sua temperatura máxima de 75 ºC para 63 ºC, ao comparar os testes #2 e #3,</p><p>diminuindo seu efeito no sistema e a temperatura do conjunto como um todo.</p><p>5.3. Agradecimentos</p><p>Agradecemos a Deus, nossas famílias e amigos por todo seu apoio no decorrer desta</p><p>formação, ao nosso professor-orientador Gustavo Caravitas por sua ajuda com este</p><p>trabalho e a equipe USJT BAJA por sua confiança no grupo, nos permitindo solucionar este</p><p>problema que causou tantas dificuldades e penalidades no passado. Também desejamos</p><p>à equipe USJT BAJA todo o sucesso possível nas futuras competições.</p><p>6. Referências Bibliográficas</p><p>Aaen, Olav. Clutch Tunning Handbook: for serious racers and anyone who wants more</p><p>performance from their variable ratio belt-transmission. Racine: Aaen Performance, 2007.</p><p>Accuweather. Temperatura no dia dos testes. Disponível em:</p><p><https://www.accuweather.com/pt/br/mooca/36320/june-weather/36320?year=2022></p><p>Acesso em 20 jun. 2022.</p><p>Accuweather. Temperatura no dia dos testes. Disponível em:</p><p><https://www.accuweather.com/pt/br/mooca/36320/september-</p><p>weather/36320?year=2022> Acesso em 05 out. 2022.</p><p>Araújo, Alex M. Ventilação Aplicada à Engenharia de Segurança do Trabalho. Recife,</p><p>33p., 2009. Aula - Universidade Federal de Pernambuco.</p><p>ASM International Handbook Committee. ASM Handbook Volume 02: Properties and</p><p>Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials. 10. ed. USA: ASM</p><p>International, 1990.</p><p>ASM International Handbook Committee. ASM Handbook Volume 01: Properties and</p><p>Selection: Iron, Steels and High Performance Alloys. 10. ed. USA: ASM International,</p><p>1990.</p><p>Çengel, Yunus A. Boles, Michael A. Termodinâmica. 7. ed. Porto Alegre: AMGH Ed.</p><p>Ltda., 2013.</p><p>Dallas Semiconductor. DS18B20 Datasheet. Disponível em:</p><p><https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/58557/DALLAS/DS18B20.html> Acesso</p><p>em: 10 jun. 2022.</p><p>Gaged Engineering. 2018-2019 GX9 Baja Spec Sheet. Disponível em:</p><p><https://www.gagedengineering.com> Acesso em: 14 mar. 2022. (Arquivo obtido via envio</p><p>de e-mail ao contato indicado no site)</p><p>Incropera, Frank P.; Dewitt, David P.; Bergman, Theodore L.; Lavine, Adrienne S.</p><p>Fundamentos de transferência de calor e de massa. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008.</p><p>Material Properties. Propriedades dos materiais utilizados. Disponível em:</p><p><https://material-properties.org/rubber-density-strength-melting-point-thermal-</p><p>conductivity/> Acesso em: 18 jun. 2022.</p><p>Matweb. Propriedades dos materiais utilizados. Disponível em:</p><p><https://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=d9c18047c49147a2a7c0b0</p><p>bb1743e812&ckck=1> Acesso em: 18 jun. 2022.</p><p>Matweb. Propriedades dos materiais utilizados. Disponível em:</p><p><https://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=eb7a78f5948d481c9493a67</p><p>f0d089646> Acesso em: 18 jun. 2022.</p><p>Melexis Microelectronic Systems. MLX90614 Datasheet. Disponível em:</p><p><https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/224153/MELEXIS/MLX90614.html></p><p>Acesso em: 10 jun. 2022.</p><p>Moran, Michael J.; Shapiro, Howard N. Fundamentals of Engineering</p><p>Thermodynamics. 5. ed. Chichester: Wiley, 2006.</p><p>PORTAL SAE BRASIL. Regulamento Administrativo e Técnico Baja SAE Brasil:</p><p>RATBSB Emenda 4, 2021. Disponível em: <https://saebrasil.org.br/programas-</p><p>estudantis/baja-sae-brasil/regras-e-relatorios-2/>. Acesso em: 10 jun. 2022.</p><p>Ross, Robert J. Wood handbook: Wood as an Engineering Material. Madison: USDA,</p><p>2010.</p><p>Versteeg, H. K.; Malalasekera, W. An Introduction to Computational Fluid Dynamics.</p><p>2. ed. Harlow: Pearson Education Limited, 2007.</p>