Modelos de carros de corrida em túnel de vento: sistemas de manuseio

Os sistemas de manuseio são necessários para fornecer movimentos das suspensões a fim de emular os comportamentos do veículo. São frenagem, aceleração, curvas de alta velocidade, curvas de baixa velocidade e movimento em linha reta. Assim, é possível alterar as alturas de condução e direção. Além disso, os movimentos de guinada e rolamento também são realizados pelo modelo de túnel de vento (WTM).

Tipos de atuadores

Qualquer WTM possui sistemas de manuseio para executar os movimentos do veículo, mas esses sistemas podem diferir de acordo com o nível de tecnologia do WTM. Existem três tipos de atuadores, o servo linear, o hidráulico linear e o atuador hexápode.

Servo atuadores lineares

FIGURA 1

Os servoatuadores lineares controlam roll e pitch, portanto, há mais de um atuador dentro do WTM. Além disso, há também um para movimentos de elevação e guinada. Os atuadores são motores de passo e não realizam curso longo, o que não permite posições extremas do modelo túnel de vento. Além disso, eles estão alojados dentro do WTM e requerem um freio para mantê-los na posição. Isso ocorre porque o deslocamento solicitado é traduzido em rotação, quando a posição solicitada é alcançada, o motor é desativado e pode girar para trás. Daí, é aplicado alguns freios.

Atuadores hidráulicos lineares

FIGURA 2

Os atuadores hidráulicos lineares (Figura 2) são úteis quando o modelo de túnel de vento é muito apertado para acomodar os atuadores. Geralmente são montados separadamente em colunas com formato aerodinâmico para não atrapalhar o fluxo de ar. Os atuadores hidráulicos são usados principalmente para movimentos de elevação e inclinação. Quando esses movimentos são permitidos, são utilizados dois motores hidráulicos, um em cada eixo. Na verdade, as colunas são chamadas de stings. Os motores hidráulicos permitem altas cargas, cursos e velocidades de movimentação. Porém, o óleo é sensível às variações de temperatura, o sistema hidráulico é mais complexo e precisa ser acoplado ao sistema de rolamento. Normalmente, o túnel de vento com sistemas hidráulicos tem uma combinação destes com os servo-atuadores lineares. A hidráulica controla a inclinação e a elevação, enquanto os servocontroles lineares rolam e giram.

Hexapod

FIGURA 3

O hexápode é um sistema que concentra vários atuadores, podendo assim reproduzir cada movimento do carro no modelo túnel de vento. O hexápode ou Plataforma Stewart (Figura 3) é derivado de sistemas de manipulação de simuladores dinâmicos. É um sistema muito preciso que tem seus custos, que é o mais caro dos três sistemas. No entanto, é o mais preciso. Estas características justificam a sua adoção no sistema de tratamento de túnel de vento mais utilizado na Fórmula 1. Outra característica importante deste sistema é que o WTM não é solicitado em termos de espaço interno, mas o sting segue o modelo e isso resulta em uma menor mobilidade em termos de guinada.

Sistemas do modelo de túnel de vento

Como o modelo do túnel de vento é uma réplica em escala de um carro real ou carro de corrida, algum sistema destes deve ser incluído, pois para a construção dos mapas aerodinâmicos é solicitada a variação da posição do WTM. Isso é realizado por vários sistemas que controlam suspensões, direção e pressão dos pneus.

Steering system

FIGURA 4

O sistema de direção (Figura 4) faz parte dos de dirigibilidade já que para carros de corrida de rodas abertas a aerodinâmica é afetada por eles. Um motor de passo é montado apenas para controlar o braço de direção. Na verdade, existe um sistema separado apenas para esta função. Normalmente, os motores de passo são precisos o suficiente para esta aplicação, mas requer uma tolerância precisa dos componentes da direção.

Sistema de suspensão ativa

FIGURA 5 – Suspensão ativa aplica força na roda através do push-rod.

Outro sistema de manuseio é a suspensão ativa. Como os carros de roda aberta são sensíveis ao formato da roda sob o fluxo, uma suspensão ativa é útil para aplicar cargas sobre as rodas a fim de causar uma deformação da área de contato do pneu. É importante entender que nem todos os WTM possuem pneus pneumáticos. Na verdade, alguns deles são equipados com pneus rígidos. Nestes casos não há suspensão ativa. O motor de passo, quando acionado, empurra a vareta que aplica uma força na roda e contra o solo. As suspensões ativas têm um grande impacto no WTM, de modo que existem diferentes níveis delas, os modelos de túnel de vento de baixo e alto nível. Suas diferenças é o grau de fidelidade à condição real. Por exemplo, WTM de alto nível tem pneus pneumáticos, suspensões ativas e, em alguns casos, sistema de pressão de pneus ativo. Por outro lado, os WTM de baixo nível geralmente têm suspensões mais simples e pneus rígidos. A maioria desses casos são carros de alto desempenho e carros de corrida de baixo orçamento. Como pode ser visto, apenas modelos de túnel de vento de alto nível são equipados com suspensões ativas.

Sistema de feedback

FIGURA 6 – O laser é usado para medir a distância entre o chassi e a esteira.

O sistema de feedback coleta a posição dos atuadores e do corpo do modelo. Estes dois são medidos por potenciômetros e lasers, respectivamente. O problema é quando a posição dos atuadores é bem diferente da posição do modelo. Não cabem, pois a ligação entre o modelo e as rodas não são rígidas, existem algumas conformidades. Embora essas deformações sejam inferiores a um milímetro, é necessário medir a posição do modelo de maneira muito precisa. Por esta razão, o feedback do modelo é mantido por lasers. Assim, são medidas as posições do atuador e do modelo. A primeira, porque se a diferença entre essas medidas aumentar, o sistema pode parar. Assim, ajuda se o laser não estiver funcionando, evitando assim que o modelo encoste no chão. O feedback sobre o modelo é exigido por regulamentos. Na verdade, a altura do modelo pode ser medida pelos atuadores push-rod, uma vez que estes fazem parte do mecanismo de suspensão, é possível aplicar equações geométricas e mecânicas. No entanto, estes não são precisos e são uma fonte de erros. O controle realimentado é baseado em duas técnicas, a técnica padrão e a técnica de controle contínuo. O controle padrão é baseado em um processo iterativo. Isso começa com a definição do valor nominal. Então é calculada uma correlação com base nos feedbacks dos atuadores. Uma nova posição nominal é definida com base nesses feedbacks. Este processo é repetido até que os feedbacks estejam dentro das tolerâncias aceitas. Normalmente, estes variam entre 0,05 e 0,1 mm. A técnica de controle padrão é um pouco longa devido à iteração, mas é funcional. A técnica de controle contínuo aplica uma correção durante a medição. Por esta razão, é chamada de correção dinâmica. Embora seja mais complexo que a técnica de controle padrão, é mais preciso e rápido em termos de manuseio. Isso é possível porque o processo de cálculo não é interrompido pelo cálculo da diferença entre a posição necessária em relação à posição real.

Sistemas de aquisição de dados

FIGURA 7

Para todos os dados produzidos em apenas um teste de túnel de vento, é necessário um sistema de aquisição adequado. Isso registra as informações capturadas pelos sistemas de feedback. Assim, suspensões, direção, escapamentos ativos, temperatura do ar, pressão e temperatura dos pneus são os principais dados armazenados nos sistemas de aquisição. Os dados registrados pelas células de carga e lasers são forças e deslocamentos, respectivamente. Existem dois tipos de sistemas de aquisição, discretos e contínuos.

FIGURA 8

A aquisição discreta é baseada no movimento do modelo, portanto, um curto tempo de espera é realizado para permitir a estabilização do campo de fluxo. O registro dos dados ocorre apenas naquele definido no mapa aerodinâmico (Figura 8) anterior ao ensaio em túnel de vento. Por outro lado, o sistema contínuo realiza a variação e o registro ao mesmo tempo. O caminho de deslocamento do aeromapa é definido anteriormente.

Referências

  • Este artigo é baseado nas notas de aula escritas pelo autor durante as palestras de Aerodinâmica Industrial na Dallara Academy.