Projeto de um banco de rolos para bicicletas

Bruno Miguel Caeiro Urbano

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Mecânica

Orientadores: Prof. Luís Alberto Gonçalves de Sousa

Prof. João Manuel Pereira Dias

Júri Presidente: Prof. João Orlando Marques Gameiro Folgado

Orientador: Prof. Luís Alberto Gonçalves de Sousa

Vogal: Prof. Virginia Isabel Monteiro Nabais Infante

Novembro 2016

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iii

Agradecimentos

Ao meu orientador, Prof Luís Sousa, um agradecimento pelo seu apoio, disponibilidade e empenho

sempre demonstrados ao longo das várias etapas. O meu obrigado pelos ensinamentos transmitidos,

pelas correções necessárias e pela possibilidade de realizar este trabalho.

Um obrigado ao Sr. Eduardo Guimarães Marques (DUNBELT) e ao Sr. José Maria (José Maria

Alumínios) pela disponibilidade prontamente demonstrada na cedência de materiais e componentes

essenciais para a realização deste trabalho.

Aos meus amigos, por tudo o que proporcionaram ao longo destes anos. A vossa amizade e

companheirismo levou a que as definições de amizade e família se fundissem.

À minha namorada Joana, por caminhar comigo lado a lado e por ser um pilar fundamental em todas

as etapas da vida, presenteando-me com a sua motivação e infindável disponibilidade. Obrigado por

quem és e por aquilo que me fazes ser.

Finalmente, à minha família, em especial aos meus pais e irmã, por formarem em conjunto com a Joana

os quatro pilares que suportam a minha vida e que me levarão ao topo. Um caloroso agradecimento

aos meus pais, pelo amor e apoio incondicional. Quem vos tem, tem tudo na vida!

iv

Resumo Nos tempos que correm, o ciclismo tem vindo a assumir uma posição de destaque na sociedade, não

só como desporto de competição, mas também como forma de manutenção corporal e meio de

transporte. O constante desenvolvimento da tecnologia tem permitido uma contínua melhoria dos

equipamentos ligados a este desporto que tem igualmente surgido cada vez mais no dia-a-dia da

população mundial. Os desenvolvimentos técnicos têm permitido um aumento de desempenho por

parte dos praticantes da modalidade.

Enquadrada nesta crescente melhoria, a presente dissertação teve como objetivo desenvolver e

construir um protótipo de uma estrutura que permita aos utilizadores controlar e melhorar o seu

desempenho. O trabalho foi constituído por três fases principais, sendo estas a fase de conceção e

modelação da estrutura, a fase de validação estrutural da mesma e, a fase de construção do protótipo.

Como ferramenta de trabalho usada nas várias fases foi utilizado o software de CAD3D SolidWorks,

através do qual foram modeladas várias alternativas de projeto (design), até ser alcançada a estrutura

final. Com recurso ao SolidWorks Simulation aplicaram-se as análises estruturais a vários elementos e

componentes da estrutura, avaliando assim a sua resistência estrutural.

Por fim foi realizada a construção do protótipo e analisados os custos a si associados, terminando com

um conjunto de testes funcionais ao equipamento desenvolvido.

Palavras-Chave:

Banco de Rolos para bicicletas

Análise Estrutural

Método dos Elementos Finitos

Protótipo

v

Abstract Nowadays, cycling has assumed a prominent position in society. This, not only as a competitive sport,

but also as way of maintenance and transport, has been increasing in world’s population day to day.

Constant development of technology have allowed a continuous improvement of the equipment

associated to this sport. With this improvement, there have been an increase of cycling athlete’s

performance.

Integrated in this growing improvement, the present thesis aimed to develop a prototype of a structure,

which allows users to control and improve their performance. Therefore, this work was consisted in tree

main phases, which were design and modelling of the structure, structural validation of the structure,

and prototype construction.

With the intention to overcome the first two stages, it was used CAD software SolidWorks, by which

were designed some models of the structure, until is reached the final model. Add-in SolidWorks

Simulation was used to perform a structural analysis to the final model designed, thus evaluating it

structural stability.

At least, the prototype was built and its costs were analysed, finishing then with a several functional

tests to the prototype developed.

Keywords:

Bicycle Roller Bench

Structural Analysis

Finite Element Method

Prototype

vi

Índice

Agradecimentos ..................................................................................................................................... iii

Resumo .................................................................................................................................................. iv

Abstract ................................................................................................................................................... v

Índice ...................................................................................................................................................... vi

Índice de Tabelas ................................................................................................................................. viii

Índice de Figuras .................................................................................................................................... ix

Lista de Abreviaturas ............................................................................................................................. xii

Lista de Símbolos .................................................................................................................................. xii

Lista de Programas .............................................................................................................................. xiii

1. Introdução ........................................................................................................................................ 1

1.1. Motivação ................................................................................................................................ 1

1.2. Objetivos e Metodologia do Trabalho ...................................................................................... 1

1.3. Estrutura do Trabalho .............................................................................................................. 2

2. Estado de Arte ................................................................................................................................. 4

2.1. Equipamentos de treino ........................................................................................................... 4

2.2. Revisão de patentes .............................................................................................................. 10

2.3. Análise Estrutural .................................................................................................................. 12

2.3.1. Análise de Elementos Finitos ............................................................................................ 12

2.4. Dissipação e aproveitamento de energia .............................................................................. 13

3. Projeto e Modelação da estrutura .................................................................................................. 14

3.1. Metodologia de Projeto .......................................................................................................... 14

3.2. Tipo de estrutura e modelo base ........................................................................................... 15

3.3. Requisitos e dimensionamento da estrutura ......................................................................... 16

3.3.1. Cálculo da potência máxima gerada ................................................................................. 16

3.3.2. Dimensionamento da estrutura ......................................................................................... 19

3.4. Design proposto .................................................................................................................... 21

3.4.1. Soluções iniciais ................................................................................................................ 22

3.4.2. Design final da estrutura .................................................................................................... 24

3.5. Conclusões do capítulo ......................................................................................................... 31

4. Validação da estrutura e produto final ........................................................................................... 32

vii

4.1. Análise do carregamento aplicado ........................................................................................ 32

4.1.1. Medição experimental do carregamento aplicado ............................................................. 33

4.1.2. Distribuição das forças na estrutura .................................................................................. 35

4.2. Análise estática ao conjunto do rolo ...................................................................................... 36

4.2.1. Fase de pré-processamento .............................................................................................. 36

4.2.2. Fase de processamento .................................................................................................... 39

4.2.3. Fase de pós-processamento ............................................................................................. 42

4.3. Análise estrutural do suporte do motor .................................................................................. 44

4.3.1. Análise estática ................................................................................................................. 44

4.3.2. Análise Dinâmica ou de Frequências ................................................................................ 47

4.4. Análise estrutural do eixo dos rolamentos ............................................................................. 48

4.5. Validação estrutural das chumaceiras ................................................................................... 49

4.6. Validação estrutural dos rolamentos ..................................................................................... 49

4.7. Conclusões do capítulo ......................................................................................................... 50

5. Desenvolvimento do protótipo ........................................................................................................ 51

5.1. Construção do protótipo ........................................................................................................ 51

5.2. Análise de Custos .................................................................................................................. 56

5.3. Conclusões do capítulo ......................................................................................................... 57

6. Testes ao protótipo ........................................................................................................................ 59

Conclusões do capítulo ..................................................................................................................... 60

7. Conclusões e trabalho futuro ......................................................................................................... 61

Referências ........................................................................................................................................... 63

Anexos .................................................................................................................................................. 64

Anexo I: Tabelas de componentes e Desenhos técnicos. ................................................................. 64

Anexo II: Análise de Custos. .............................................................................................................. 66

Anexo III: Fichas técnicas das chumaceiras e dos rolamentos. ........................................................ 69

viii

Índice de Tabelas

Tabela 1: Bicicletas estáticas: principais características dos equipamentos atuais. (fonte:

https://www.sportzone.pt/desporto/ginasio-fitness/aparelhos/bicicletas-magneticas/ba-5601997 e

https://www.sportzone.pt/desporto/ginasio-fitness/aparelhos/ciclismo-indoor/iczero-5662069;

visualizados a: 10/07/2016) ..................................................................................................................... 6 Tabela 2: Valores das massas medidos na análise experimental do carregamento aplicado .............. 33 Tabela 3: Posições analisadas e respetivos valores de força medidos .a) arranque , b) sprint, c ) subida

............................................................................................................................................................... 33 Tabela 4: Comparação das malhas para diferentes valores de largura dos elementos com transição

automática. ............................................................................................................................................ 41 Tabela 5: Detalhes da malha para uma largura de elemento no rolo de 5 mm e de 1mm nas

extremidades ......................................................................................................................................... 42 Tabela 6: Processo de construção dos componentes do conjunto das calhas. .................................... 52 Tabela 7:Processo de construção dos componentes do conjunto das barras. ..................................... 53 Tabela 8:Processo de construção dos componentes do conjunto do rolo ............................................ 54 Tabela 9: Processo de construção dos componentes do conjunto do motor. ....................................... 55 Tabela 10: Custos associados ao tempo de mão-de-obra – CHH, e ao tempo de utilização das máquinas

– CHM. .................................................................................................................................................. 56 Tabela 11: Tabela de peças da estrutura: descrição, quantidade e material de cada peça ................. 64 Tabela 12: Tabela de distribuição de peso da estrutura [gramas] ........................................................ 65 Tabela 13: Análise de Custos realizada aos Meios de Produção ......................................................... 66 Tabela 14: Análise de custos realizada aos componentes adquiridos. ................................................. 66 Tabela 15: Análise de custos realizada aos componentes modificados – Custo da matéria-prima

(continua na Tabela 16 e na Tabela 17). .............................................................................................. 67 Tabela 16: Análise realizada aos componentes modificados – Custo das transformações (processos de

fabrico aplicados) (continua na Tabela 17) ........................................................................................... 67 Tabela 17: Análise de custos realizada aos componentes modificados – Resultados finais ................ 68 Tabela 18: Tabela de dados técnicos das chumaceiras UCP201 (bearing house units) utilizadas [27].

............................................................................................................................................................... 69 Tabela 19: Tabela de dados técnicos dos rolamentos ABEC -5 608ZZ utlizados [28]. ........................ 70

ix

Índice de Figuras

Figura 1: Bicicleta estática: DOONE BA ................................................................................................. 6 Figura 2: Bicicleta de ciclismo indoor : DOONE ICZERO ....................................................................... 6 Figura 3: Turbo trainer (fonte: http://www.wiggle.co.uk/turbo-trainers/; visualizado a 10/07/2016). ....... 7 Figura 4: Turbo trainers com sistema resistivo magnético: (a) Ascent Magnetic; (b) Elite Crono Mag

Elastogel; (c) CycleOps Mag. (fonte: http://www.powercurvesensor.com/cycling-trainer-power-curves/

;visualizado a 10/7/2016) ........................................................................................................................ 7 Figura 5: Turbo trainers com sistema resistivo fluido: (a) Ascent Fluid ; (b) Elite Chrono Power Fluid;

(c) CycleOps Fluild 2. (fonte: http://www.powercurvesensor.com/cycling-trainer-power-curves/

;visualizado a 10/7/2016) ........................................................................................................................ 8 Figura 6: Turbo trainers com sistema resistivo de ventoinhas (ar): (a) Beto Air Flow Turbo Trainer; (b)

CycleOps Wind; (c) New Kinetic Cyclone Turbo Trainer 2. (fonte:

http://www.powercurvesensor.com/cycling-trainer-power-curves/ e

http://turbobiketrainer.com/turbotrainers/new-kinetic-cyclone-turbo-trainer-2/ ;visualizado a 10/7/2016)

................................................................................................................................................................. 8 Figura 7: Turbo trainers com sistema resistivo eletromagnético: (a) Elite RealTour Turbo Trainer; (b)

CycleOps PowerBeam Pro Turbo Trainer; (c) Elite RealPower CT Reality Turbo Trainer. (fonte:

http://turbobiketrainer.com/electromagnetic-indoor-turbo-trainers/ ; visualizado a 10/07/2016) ............. 8 Figura 8: Antique rollers in United States Bicycling Hall of Fame (fonte:

https://en.wikipedia.org/wiki/Bicycle_rollers; visualizado a 10/7/2016) ................................................... 9 Figura 9: Rolos de treino: (a) Tacx T1100 Galaxia Rollers; (b); (c) Kinetic Z-Rollers. (fonte:

http://www.halfords.com/cycling/turbo-trainers/trainers/; visualizado a 10/7/2016) ................................. 9 Figura 10: Bicycle trainer desenvolvido por [6]. .................................................................................... 10 Figura 11: Role de treino desenvolvido por [7]. ..................................................................................... 11 Figura 12:Rolo de treino desenvolvido por [8] ....................................................................................... 11 Figura 13: Rolo de treino desenvolvido por [9] ...................................................................................... 11 Figura 14: Sistema resistivo magnético desenvolvido por [10] ............................................................. 12 Figura 15: Possíveis situações de aproveitamento/dissipação de energia. (a) fonte: http://open-source-

gallery.org/koko/2015/12/power-up-bike-generators/; visualizado a 7/07/2016 (b) fonte:

http://www.instructables.com/id/How-To-Build-A-Bicycle-Generator/; visualizado a 7/07/2016 ............ 13 Figura 16: Diagrama de desenvolvimento do equipamento, [19] .......................................................... 15 Figura 17: Modelo base para a estrutura a desenvolver: rolo de treino ( fonte:

http://www.biketribe.com.br/5-exercicios-tops-para-voce-fazer-no-rolo-de-treino/ ;visualizado a

9/04/2016) ............................................................................................................................................. 16 Figura 18: Potência humana gerada principalmente pelo movimento de pedais (ciclismo) – maximum

sustainable power vs duration ............................................................................................................... 17 Figura 19: Representação da distancia AB, entre o rolo dianteiro (Ro1) e a posição média entre os rolos

traseiros (Ro2 e Ro3). ........................................................................................................................... 20 Figura 20: Posição da roda da bicicleta em relação ao rolo dianteiro ................................................... 20 Figura 21: Dimensões calculadas para estrutura do equipamento ....................................................... 21

x

Figura 22: Primeiro design modelado em Solidworks ........................................................................... 22 Figura 23: Constituição do rolo utilizado no primeiro design modelado ................................................ 22 Figura 24: Segundo design modelado em Solidworks .......................................................................... 23 Figura 25: Barras utilizadas no segundo design ................................................................................... 23 Figura 26: Calha, barra traseira e bloqueador de movimento longitudinal do segundo design ............ 23 Figura 27: Calhas modeladas em alumínio de secção retangular 30x28x2 [mm], com comprimentos de

550, 680 e 1250 milímetros ................................................................................................................... 24 Figura 28: Componentes de união da estrutura: (a) união de topo, (b) união intermédia e (c) bloqueador

de movimento. ....................................................................................................................................... 25 Figura 29:Calhas: (a) Conjunto total das calhas, (b) detalhe da união de topo e do bloqueador de

movimento e (c) detalhe da união intermédia. ...................................................................................... 25 Figura 30: Conjunto das barras unido pelas barras de união ............................................................... 25 Figura 31: Vista explodida obtida via Solidworks dos subconjuntos (a) barras dianteiras, (b) barras

traseiras e (c) transfer bearing .............................................................................................................. 26 Figura 32: Detalhe dos furos para a cabeça do parafuso M6, na barra superior do subconjunto da frente

............................................................................................................................................................... 26 Figura 33: Conjunto dos rolos:duas chumaceiras, 2 extremidades e o rolo ......................................... 27 Figura 34: Vista explodida do conjunto do rolo, composto por 2 extremidades e um tubo cilíndrico. ... 27 Figura 35: Modelo 3D das chumaceiras, cedidas pela Dunbelt ............................................................ 27 Figura 36: Conjunto do motor, constituído por: modelo 3D do motor Lynch LM-130 e suporte em “L” de

aço inox. ................................................................................................................................................ 27 Figura 37:Modelo 3D do suporte do motor ............................................................................................ 28 Figura 38:Modelo 3D do banco de rolos em posição de utilização ....................................................... 28 Figura 39: Modelo 3D do banco de rolos na posição fechada. ............................................................. 29 Figura 40: Dimensões máximas da estrutura: (a) posição de funcionamento (aberta) e (b) posição de

arrumo (fechada). .................................................................................................................................. 30 Figura 41: Massa [g], volume [mm3] e área superficial [mm2] do modelo 3D da estrutura ................... 30 Figura 42: Distribuição percentual da massa da estrutura pelos componentes e principais conjuntos.

............................................................................................................................................................... 31 Figura 43: Fotografia da medição experimental do carregamento aplicado. ........................................ 33

Figura 44: Representação do carregamento nos rolos da estrutura. A verde .R frenteF e .R traseiraF

representam o carregamento aplicado e, a vermelho .r frenteR , . 1r traseiroR e . 2r traseiroR representam a

reação nos rolos. ................................................................................................................................... 35 Figura 45: Fase de pré-processamento de uma análise estrutural recorrendo ao Solidworks Simulation;

a) escolha de um novo estudo, b) selecção do tipo de análise, c) parâmetros da analise. .................. 37 Figura 46: Fase de pré-processamento da análise; separador "parts" ................................................. 37 Figura 47: Fase de pré-processamento da análise: separador "connections" ...................................... 37 Figura 48: Fase de pré-processamento; (a) seleção do tipo de fixture a aplicar (bearing fixture); (b)

fixtures aplicadas ao conjunto; (c) local de aplicação (setas a azul). .................................................... 38 Figura 49: Fase de pré-processamento: external forces; Força normal de 431,4N. ............................. 39

xi

Figura 50: Pré-processamento: localização das forças; (a) força centrada em relação aos apoios; (b)

força descentrada em relação aos apoios. ........................................................................................... 39 Figura 51: Geração da malha de um corpo sólido. (a) Modelo de corpo sólido; (b) Modelo de elementos

finitos ..................................................................................................................................................... 40 Figura 52: Parametros da malha ........................................................................................................... 40 Figura 53: Detalhes das malhas do tipo “Standart Mesh”; (i) Malha com largura de elemento de 9mm;

(ii) Malha com largura de elemento de 7mm. ........................................................................................ 41 Figura 54: Fase de pós-processamento: Resultados da análise estática conjunto do rolo com

carregamento centrado; (a) Tensão (von Mises [MPa]); (b) Deslocamento nodal [mm]; Fator de

segurança; (d) Iso Clipping do fator de segurança na extremidade do conjunto .................................. 43 Figura 55: Fase de pós-processamento: Resultados da análise estática conjunto do rolo com

carregamento descentrado a 150mm da união com o rolo; (a) Tensão (von Mises [MPa]); (b)

Deslocamento nodal [mm]; Fator de segurança; (d) Iso Clipping do fator de segurança na extremidade

do conjunto. ........................................................................................................................................... 44 Figura 56: Fase de pré-processamento da análise estática ao suporte do motor; (a) Parâmetros a definir

no pré-processamento; (b) Carregamento remoto de 37 N aplicado na análise; (c) Zoom-in da fixture

aplicada. ................................................................................................................................................ 45 Figura 57: Fase de processamento da análise estática ao suporte; (a) Zoom-in da malha aplicada; (b)

Parâmetros da malha aplicados; (c) Detalhes da malha. ...................................................................... 45 Figura 58: Fase de pós-processamento: Resultados da análise estática ao suporte do motor; (a) Tensão

(von Mises [MPa]); (b) Zoom-in na zona de tensão máxima; Deslocamento nodal [mm]; (d) Fator de

segurança. ............................................................................................................................................. 46 Figura 59: Fase de pré-processamento da análise de frequências ao suporte do motor; (a) Parâmetros

da análise; (b) Propriedades > Opções > Número de frequências a calcular. ...................................... 47 Figura 60: Primeiras 5 frequências naturais que levam ao colapso do suporte do motor. ................... 47 Figura 61: (a) eixo dos rolamentos; (b) secção transversal do eixo dos rolamentos ............................ 48 Figura 62:Diagrama de construção da estrutura. Conjuntos e componentes do Banco de Rolos; ....... 51 Figura 63: Estrutura final desenvolvida. ................................................................................................ 55 Figura 64: Resultados da análise de Custos ao conjuntos (ii) e (iii), (a) e (b) respetivamente. ............ 57 Figura 65: (a) Análise de Custos total; (b) Distribuição dos Custos pelos conjuntos de componentes.

............................................................................................................................................................... 57

xii

Lista de Abreviaturas

AC Corrente alternada

CAD Desenho Assistido por Computador

CAE Engenharia Assistida por Computador

DC Corrente continua

DEM Departamento de Engenharia Mecânica

FEs Elementos Finitos

FEA Análise de Elementos Finitos

FEM Método dos Elementos Finitos

FS Fator de Segurança

LTO Laboratório de Técnica e Oficina

NASA National Aeronautics and Space Administration

PDE Equações Diferenciais Parciais

Ro1,2,3 Rolo1,2,3

Lista de Símbolos

A Área

Cd Coeficiente de arrasto

Crr Coeficiente de resistência ao rolamento

d Distância

E Erro relativo

F Força

g Aceleração gravítica

m,M Massa

P Potência

Pc Força de corte

R Reação

xiii

v Velocidade

α Declive

ρ Densidade do ar

Lista de Programas

SolidWorks 2015

1

1. Introdução

1.1. Motivação Atualmente, o desporto tem um papel de elevada importância na sociedade, apresentando um carácter

de coesão social e de consolidação da cidadania, sendo relevante no processo de socialização da

humanidade, e promovendo a saúde física e mental. O desporto como o conhecemos, encontra-se

dividido em várias modalidades desportivas, havendo a especialização de praticantes em cada uma

dessas modalidades.

O ciclismo é uma dessas modalidades que, embora possa ser praticável por qualquer pessoa, possui

como a grande maioria uma vertente competitiva/profissional, que requere do atleta/praticante uma boa

condição física e balanço entre a técnica e a tática. Na sua definição base, este desporto inclui várias

distâncias de prova, em diferentes tipos de terreno, nas quais cada atleta tem o objetivo de realizar a

distância no menor tempo possível.

Hoje em dia, e cada vez mais, o ciclismo profissional é visto como um desporto de eleição, sendo

considerado um dos mais exigentes [1], levando ao extremo a intensidade do exercício, a duração e a

frequência. Referindo-se à vertente de elite do ciclismo [2] refere que a diferença entre ganhar e perder

pode ser de frações de segundos, denotando-se assim a grande importância do treino e aumento da

performance dos atletas, traduzindo-se na importância do desenvolvimento dos sistemas e

equipamentos de treino, de forma a maximizar a performance dos mesmos. Na sua participação para

com o desporto e a engenharia no desporto [3] menciona que existe uma demanda para o treino interior,

com o desenvolvimento de novos equipamentos ciclo-ergométricos, que simulam o ciclismo e as

condições exteriores de forma mais ou menos precisa, e que permitem o treino de ciclistas profissionais

independentemente das condições meteorológicas exteriores e da deslocação de pessoas e meios.

Desta forma, tendo em vista uma melhor preparação para obter uma melhor performance, tem-se

verificado uma vasta pesquisa em trono do ciclismo, realizando-se treinos em laboratórios científicos

através do uso de ciclo-ergómetros e/ou turbo trainers,[2]. Webester refere ainda que este tipo de

equipamentos apresentam, de certa forma, uma difícil regulação e replicação dos vários parâmetros

que intervém na prática deste desporto.

Focando assim no desenvolvimento deste tipo de equipamentos, é necessária a procura de novos ou

melhorados sistemas de teste e equipamentos, que simulem com maior precisão as condições sentidas

na situação real, seja em estrada, terreno montanhoso ou pista.

1.2. Objetivos e Metodologia do Trabalho Como tal, por forma a criar um equipamento que vá ao encontro das necessidades do público-alvo, é

necessário definir alguns objetivos, que servem de guia para a realização deste trabalho.

Em primeiro lugar, designa-se a criação da estrutura de um equipamento que auxilie o treino desportivo

de ciclistas, permitindo a melhoria da sua performance em espaços fechados e permita simular de

2

forma mais ou menos precisa o ciclismo outdoor, funcionando num banco de rolos. Em segundo, é

esperado que o equipamento apresente uma resistência estrutural capaz de suportar os esforços a que

é sujeito. Em terceiro lugar, e por último, é esperado que o equipamento seja de fácil uso,

armazenamento e transporte, nunca esquecendo os custos associados à construção do equipamento,

sendo objetivada a construção do mesmo através de materiais de fácil obtenção. Este ponto é

particularmente importante neste trabalho para a construção do protótipo.

Por forma a conseguir alcançar os objetivos propostos, torna-se necessário estruturar uma metodologia

de trabalho, precisa e rigorosa, permitindo assim a análise aprofundada dos vários assuntos associados

ao design e prototipagem de um equipamento.

Inicialmente, devido à elevada necessidade de designar qual o caminho que queremos para o

equipamento, será realizada uma meticulosa pesquisa em torno dos equipamentos já presentes no

mercado, absorvendo as várias características e funcionalidades dos mesmos, materiais mais

adequados e também uma pesquisa em torno das várias análises necessárias para a validação

estrutural do equipamento. No seguimento desta pesquisa, é realizado um estudo para a escolha do

tipo de estrutura a desenvolver, de forma a cumprir os objetivos propostos. A etapa seguinte incorpora

a modelação geométrica do equipamento, realizada num software de CAD3D, e a análise estrutural do

equipamento, por forma a validar a estrutura projetada. Acabada a fase de projeto, será feita a

montagem da estrutura, verificando e eliminando eventuais problemas que possam surgir. Por fim o

motor/dissipador será incorporado na estrutura, finalizando assim a fase de construção do protótipo.

Posteriormente serão levados a cabo uma série de testes reais, por forma a confirmar a estabilidade e

funcionalidade do equipamento.

No fim de cada capítulo será elaborada uma pequena conclusão acerca do mesmo, por forma a

generalizar o trabalho realizado ao longo deste e concluir sobre o mesmo.

1.3. Estrutura do Trabalho Indo ao encontro da metodologia de trabalho e dos objetivos em acima apresentados, a estrutura da

presente dissertação foi dividida em seis capítulos principais:

o Capítulo 1 – Introdução, onde serão abordados a motivação, os objetivos e metodologia de

trabalho, e a estrutura da presente dissertação.

o Capítulo 2 – Estado da arte, no qual se discutirá os equipamentos atuais, fazendo uma revisão

das suas principais características e funcionalidades. Serão revistas as análises estruturais

para a avaliação da estrutura.

o Capítulo 3 – Design e modelação da estrutura, onde será analisada qual a melhor estrutura

para o equipamento, utilizando um método de decisão para comparar o modelo desejado com

os modelos existentes.

o Capítulo 4 – Validação da estrutura e produto final, onde, como o título indica, será analisada

a estrutura proposta no capítulo anterior, por forma a garantir a resistência estrutural da mesma,

obtendo assim a estrutura final mediante a correção de possíveis problemas que possam

existir.

3

o Capítulo 5 – Construção do protótipo, onde será feita uma descrição da fase de montagem do

equipamento.

o Capítulo 6 – Testes e Análise de resultados, onde será confirmada a estabilidade e o

funcionamento objetivado do equipamento.

o Capítulo 7 – Conclusões finais e sugestões de trabalho futuro.

4

2. Estado de Arte Estando este trabalho relacionado com todas as modalidades desportivas que envolvam uma bicicleta,

primeiramente, é abordado o tema ciclismo, sobre o qual se descrevem as várias vertentes que este

engloba e a evolução do mesmo desde a sua criação até aos tempos atuais. Na secção 2.1 serão

revistos os equipamentos de treino existentes, caracterizando-os e fazendo um levantamento das suas

principais funções. Na secção subsequente, secção 2.2, é realizada uma pesquisa em torno das

patentes relacionadas com o tema. Seguidamente, na secção 2.3 serão revistas as várias análises e

métodos utilizados no decorrer deste trabalho. Na última secção do presente capítulo, secção 2.4 é

feita uma breve revisão sobre a utilização de motores/geradores.

O ciclismo é um desporto Olímpico, sendo geralmente lembrado como uma corrida de bicicletas, cujo

principal objetivo dos intervenientes é completar a prova no menor tempo possível, terminando o

percurso no primeiro lugar.

O inico do ciclismo como desporto teve lugar em Inglaterra em meados do seculo XIX, altura a partir

da qual os avanços tecnológicos permitiram o aperfeiçoamento da bicicleta. Entre 1890 e 1900

apareceram grandes provas, tendo sido realizado em 1893 o primeiro Campeonato Mundial. Em 1896,

o ciclismo fez parte do programa Olímpico, data que contempla a primeira edição moderna dos jogos,

sendo os eventos unicamente realizados em pista.

Em Portugal o ciclismo é uma atividade com mais de uma centena de anos, evoluindo a par e passo

com a bicicleta, e ganhando enfase com a crescente de emoções geradas pelas corridas nos

velódromos e nos espaços públicos.

Este desporto foi tomando novas proporções no quotidiano da população, sendo cada vez mais falado

e praticado. Hoje em dia o ciclismo encontra-se dividido em 4 modalidades que diferem entre elas na

regulamentação das competições, no tipo de piso e distância, no treino necessário e também nas

características dos equipamentos usados (bicicletas e equipamentos de segurança). Essas

modalidades são o ciclismo de estrada, ciclismo de pista, ciclismo de montanha (MTB) e BMX.

Não só pelo fato de o ciclismo de estrada ser o mais conhecido e mundialmente praticado, mas também

pela maior importância que o treino regular de rolamento apresenta nesta modalidade, a partir deste

momento apenas serão tidos em consideração os aspetos referentes à mesma.

A evolução deste desporto, principalmente nas duas ultimas décadas, deveu-se na sua grande parte,

à evolução das tecnologias, que permitiram não só o desenvolvimento de novas bicicletas, roupas,

sapatilhas e suplementos, como também de equipamentos e métodos de treino.

2.1. Equipamentos de treino O ciclismo envolve uma grande intensidade de esforço físico e psicológico. Neste, as competições tem

durações estimadas entre 10 a 500 minutos, o que faz com que a performance em estrada tenha uma

dependência aproximada de 80-90% do metabolismo aeróbico, [4].

5

Devido à elevada importância que a capacidade aeróbica tem no mundo do desporto e em particular

no ciclismo de estrada, é necessário criar planos de treino que permitam aumentar esta capacidade.

Uma das formas de aumentar essa capacidade é adotar um plano de treino regular e contínuo, o que

leva ao aumento da resistência ao esforço físico. Os autores [5] referem que as alterações essenciais

para alcançar o sucesso nas competições são devidas ao aperfeiçoamento das capacidades físicas,

através do treino.

No entanto, um dos grandes problemas do treino regular e contínuo é o estado do tempo, uma vez que

este nem sempre permite a realização de exercícios no exterior. Embora não seja totalmente impossível

a realização do treino exterior com condições meteorológicas adversas, estas condicionam a

performance do atleta durante o treino, não permitindo que o mesmo se supere e aperfeiçoe as suas

capacidades. Assim, o treino indoor tem um papel importante na preparação dos atletas, permitindo

não só a preparação física dos mesmos, como também o controlo de determinados parâmetros que

visam avaliar a condição física, através da instalação de sensores e equipamentos que no treino

outdoor não seriam passiveis de usar.

Os equipamentos de treino indoor, como é o caso dos rolos de treino (roller trainer), são quase tão

antigos quanto a própria bicicleta, sendo datada de 1901 uma fotografia onde o ciclista Americano

Charles Minthorn Murphy, também conhecido Mile-a-Minute Murphy, aparecia a usar um equipamento

deste tipo. Atualmente, estes equipamentos encontram-se facilmente no nosso dia-a-dia, e apresentam

inúmeras vantagens face ao ciclismo outdoor, apresentando diversos designs consoante o esforço

físico que se pretende simular e avaliar.

As vantagens de maior relevância associadas aos equipamentos de treino indoor são:

• Aperfeiçoar e avaliar a condição física durante os meses de inverno, quando o tempo não

permite o treino no exterior;

• Treinar num ambiente controlado e a qualquer altura, sem a preocupação de acontecimentos

externos, sem equipamentos necessários à prática exterior e sem os cuidados associados à

circulação noturna;

• Recuperar de lesões ou traumas desportivos, num ambiente controlado e com menos riscos

associados.

No entanto a desvantagem mais evidente em relação à prática no exterior é a simulação mais ou menos

precisa dos graus de liberdade associados aos movimentos reais necessários para a prática natural

deste desporto.

Atualmente estes equipamentos encontram-se divididos em 3 modelos:

• bicicletas estáticas,

• turbo trainers e

• rolos de treino,

6

diferenciando-se entre si na área ocupada pelo equipamento, o ruído produzido em funcionamento, o

modelo estrutural, a precisão com que simulam o movimento real e o seu valor em €.

§ A bicicleta estática

A bicicleta estática, também conhecida por bicicleta ergométrica ou bicicleta de manutenção, é

caracterizada por apresentar uma estrutura rígida e compacta, onde a ausência de rodas é uma das

principais características.

Estas apresentam diferentes designs e características, desde as mais simples (Figura 1), ideal para

treino cardiovascular e perda de peso, à mais complexa (Figura 2), ideal para treino intensivo,

emagrecimento e tonificação das pernas. As principais características deste tipo de equipamento são

as suas funções, o sistema resistivo e as suas dimensões, encontram-se descritas na Tabela 1.

Este tipo de equipamentos tem como preço base os 100 €, no entanto podem chegar até aos 2500 €,

para equipamentos mais especializados e com funções específicas. Os preços apresentados para os

vários equipamentos são apenas indicativos, podendo variar de vendedor para vendedor.

Tabela 1: Bicicletas estáticas: principais características dos equipamentos atuais. (fonte: https://www.sportzone.pt/desporto/ginasio-fitness/aparelhos/bicicletas-magneticas/ba-5601997 e

https://www.sportzone.pt/desporto/ginasio-fitness/aparelhos/ciclismo-indoor/iczero-5662069; visualizados a: 10/07/2016)

(a)

Figura 1: Bicicleta estática: DOONE BA

(b)

Figura 2: Bicicleta de ciclismo indoor : DOONE

ICZERO

-Dimensões: 73x53x116 cm;

-Peso: 35 Kg;

-Funções: Tempo, velocidade, distância e

calorias;

-Peso máx. utilizador: 100 Kg;

- Sistema resistivo: magnético

-Preço: 99.90 €

-Dimensões: 118x49x117 cm;

-Peso: 38.7 Kg;

-Funções: Tempo, velocidade, distância e

calorias;

-Peso máx. utilizador: 110 Kg;

- Sistema resistivo: travão magnético

-Preço: 349.90 €

§ O turbo trainer

De forma semelhante ao tipo de equipamento apresentado no ponto acima, o turbo trainer é um

equipamento de treino indoor onde o movimento é estático, sendo apenas realizado o movimento dos

pedais. Estes apresentam dimensões muito inferiores relativamente às bicicletas estáticas e permitem

ainda a utilização de qualquer bicicleta.

7

Estes são constituídos por um quadro, geralmente em alumínio, um grampo que permite suportar de

forma segura a bicicleta e elevar a roda traseira, e um mecanismo resistivo, que permite controlar a

resistência oferecida ao movimento dos pedais (Figura 3).

Figura 3: Turbo trainer (fonte: http://www.wiggle.co.uk/turbo-trainers/; visualizado a 10/07/2016).

No mercado existem diferentes tipos de turbo trainers. Estes variam consoante o seu sistema resistivo,

sendo classificados consoante o sistema que possuem. Atualmente, os sistemas resistivos mais

utilizados são: (i) sistema resistivo magnético; (ii) sistema resistivo fluido (fluid trainer); (iii) sistema

resistivo de ventoinha (wind trainer); (iv) sistema resistivo eletromagnético.

i. Nos turbo trainers com um sistema resistivo magnético, a força resistiva é gerada através de

um íman, que que cria uma força no rolo onde o pneu traseiro assenta. Na Figura 4, são

apresentados três modelos deste tipo de turbo trainer, assim como os seus preços de mercado.

Os preços deste tipo de equipamento variam entre noventa a trezentos euros (90 € - 300 €),

consoante a curva de potência do sistema, e a precisão com que simula a resistência sentida

outdoor.

(a)

Preço: 85.07 €

(b)

Preço: 143.99 €

(c)

Preço: 178€

Figura 4: Turbo trainers com sistema resistivo magnético: (a) Ascent Magnetic; (b) Elite Crono Mag Elastogel; (c) CycleOps Mag. (fonte: http://www.powercurvesensor.com/cycling-trainer-power-curves/ ;visualizado a 10/7/2016)

ii. .Para os turbo trainers com sistema resistivo fluido, os valores a que se encontram no mercado

são dos mais elevados dos primeiros três modelos apresentados. Estes situam-se entre os

cem e os quinhentos euros (100 € - 500 €).

(a)

Preço: 113.43 €

(b)

Preço: 268.13 €

(c)

Preço: 352.99 €

8

Figura 5: Turbo trainers com sistema resistivo fluido: (a) Ascent Fluid ; (b) Elite Chrono Power Fluid; (c) CycleOps Fluild 2. (fonte: http://www.powercurvesensor.com/cycling-trainer-power-curves/ ;visualizado a

10/7/2016)

iii. Quanto aos turbo trainers que apresentam um sistema resistivo à base de ventoinhas

(resistência do ar), estes apresentam valores de mercado desde os cinquenta euros até aos

trezentos euros (50 € - 300 €), aproximadamente.

(a)

Preço: 105 €

(b)

Preço: 151 €

(c)

Preço: 174 €

Figura 6: Turbo trainers com sistema resistivo de ventoinhas (ar): (a) Beto Air Flow Turbo Trainer; (b) CycleOps Wind; (c) New Kinetic Cyclone Turbo Trainer 2. (fonte: http://www.powercurvesensor.com/cycling-trainer-power-curves/ e http://turbobiketrainer.com/turbotrainers/new-kinetic-cyclone-turbo-trainer-2/ ;visualizado a 10/7/2016)

iv. Por fim, os turbo trainers com sistema resistivo eletromagnético são a versão mais sofisticada

dos turbo trainers magnéticos. Enquanto os anteriores utilizam ímanes, estes utilizam

eletroímanes estacionários que geram correntes elétricas designadas “Eddy Currents1”, o que

leva ao aparecimento de uma força resistiva no rolo metálico, aumentando a resistência ao

movimento.

Estes modelos de turbo trainers têm a desvantagem de serem mais caros que os restantes. No

entanto a sua grande vantagem face aos demais é a possibilidade de se controlar a força

resistiva oferecida pelo equipamento, através do aumento ou decréscimo da corrente que

passa no equipamento2

(a)

Preço: 620 €

(b)

Preço: 1000 €

(c)

Preço: 1727 €

Figura 7: Turbo trainers com sistema resistivo eletromagnético: (a) Elite RealTour Turbo Trainer; (b) CycleOps PowerBeam Pro Turbo Trainer; (c) Elite RealPower CT Reality Turbo Trainer. (fonte:

http://turbobiketrainer.com/electromagnetic-indoor-turbo-trainers/ ; visualizado a 10/07/2016)

As maiores vantagens deste tipo de equipamento de treino são: a portabilidade, uma vez que

apresentam reduzidas dimensões e pesos, a facilidade de montagem e preparação e o facto de

permitem uma grande variedade de sistemas resistivos. Como maior desvantagem, têm-se o facto de

apresentarem insuficiências na simulação precisa do ciclismo outdoor3

1 https://en.wikipedia.org/wiki/Eddy_current 2 http://turbobiketrainer.com/electromagnetic-indoor-turbo-trainers/ 3 http://www.bicycle-and-bikes.com/bicycle-indoor-training-stands.html

9

§ Rolos de treino

Os rolos de treino são equipamentos de dimensões superiores aos apresentados nos pontos anteriores.

Estes, na sua grande maioria, são constituídos por três rolos e uma correia, apresentando normalmente

a sua estrutura uma forma paralelepipédica. Os dois rolos traseiros servem não só de suporte para a

roda traseira, como também para fornecer o torque gerado pelo movimento dos pedais à roda da frente,

através de uma correia que liga um dos rolos traseiros ao rolo dianteiro. Por sua vez o rolo dianteiro

suporta a roda dianteira e transmite à mesma a velocidade de rotação da roda traseira, permitindo um

movimento giroscópico.

Figura 8: Antique rollers in United States Bicycling Hall of Fame (fonte: https://en.wikipedia.org/wiki/Bicycle_rollers; visualizado a 10/7/2016)

Este tipo de equipamento apresenta um valor de mercado ligeiramente superior aos restantes dois. Isto

deve-se não só à complexidade da estrutura destes equipamentos, mas também ao facto de

apresentarem inúmeras vantagens face aos outros tipos.

As principais vantagens dos rolos de treino, face aos restantes, são:

• Excelente para a prática de ciclismo, permitindo desenvolver a cadência, o pedalar, o equilíbrio;

• A bicicleta não está fixa, aproximando melhor o ciclismo outdoor;

• Facilidade de adaptação, permitindo adicionar acessórios, como por exemplo, bloqueadores

da roda da frente e diferentes sistemas resistivos;

• Menos aborrecido de utilizar que os restantes tipos de equipamentos, uma vez que requer

maior controlo e atenção.

Como principais desvantagens, têm-se o facto de alguns modelos serem complicados de utilizar, a

possibilidade de queda é mais elevada e são mais ruidosos que os restantes tipos.

Alguns modelos são apresentados na Figura 9, assim como o seu respetivo valor comercial.

(a)

Preço: 208 €

(b)

Preço: 288 €

(c)

Preço: 323 €

Figura 9: Rolos de treino: (a) Tacx T1100 Galaxia Rollers; (b); (c) Kinetic Z-Rollers. (fonte: http://www.halfords.com/cycling/turbo-trainers/trainers/; visualizado a 10/7/2016)

10

Tal como os tipos de equipamentos anteriormente apresentados (bicicleta estática e turbo trainers), os

rolos de treino são equipamento cujo principal objetivo de utilização é a evolução da performance física.

No entanto, este tipo de equipamentos tem sido muito utilizado para criação de bancos de potência,

cuja finalidade é a medição e produção de energia.

2.2. Revisão de patentes Ao longo do tempo, vários foram os autores de projetos ligados ao ciclismo, nomeadamente, ligados

ao desenvolvimento de equipamentos de treino e bancos de rolos. Nesta secção serão abordadas

algumas patentes de equipamentos desenvolvidos, com o intuito de obter background sobre o tema.

No trabalho publicado por [6], este refere que este tipo de equipamentos são baseados em dois

modelos gerais. Ambos simulam o ciclismo outdoor mas, num as duas rodas encontram-se em contacto

com um ou mais rolos, enquanto no outro, os equipamentos tem uma estrutura “tri-pod”, onde a roda

traseira é elevada e rola em contacto com um rolo.

Nesse trabalho, Phillips começou por desenvolver um rolo de treino com estrutura em tripé. Como se

vê na Figura 10, a roda traseira é suportada pelo seu eixo, com um sistema de grampos semelhante

ao dos atuais turbo trainers. Ainda assim, a roda traseira assenta num rolo livre, que por fricção,

transmite torque à roda. No seguimento do seu trabalho, o autor estendeu o equipamento à roda

dianteira. Para tal, apenas necessitou de adicionar um conjunto igual ao anterior, e uniu os dois rolos

com uma correia.

(a)

(b)

Figura 10: Bicycle trainer desenvolvido por [6].

Os principais problemas deste equipamento advêm do facto de a bicicleta se encontrar presa à

estrutura, o que não permite simular o movimento real praticado no exterior, ao não permitir o balançar

natural da bicicleta. Deste facto deriva ainda um aumento das tensões na estrutura, levando ao dano

dos eixos das rodas (onde a bicicleta se encontra fixa), consequentes do balançar involuntário do

ciclista ao pedalar.

Outro exemplo foi desenvolvido por [7]. Este desenvolveu um rolo de treino direcionado para o treino

de ciclistas, constituído por dois rolos (ligados através de uma correia) e uma coluna central, a qual

serve de suporte ao quadro da bicicleta. Esta coluna central, segundo descreve o autor, assenta em

duas barras circulares transversais, permitindo que a mesma disponha de um movimento transversal.

11

Figura 11: Role de treino desenvolvido por [7].

Uma vez mais, devido ao acoplamento da bicicleta à estrutura, é previsível um aumento das tensões

na mesma. Ainda, embora o movimento transversal da coluna permita também um movimento

transversal da bicicleta, este não tem em conta o efeito giroscópio criado pelo rodar da roda da frente

no rolo, quando existe uma ligeira guinada do guiador.

Uma estrutura semelhante já tinha sido apresentada por [8], Figura 12.

Figura 12:Rolo de treino desenvolvido por [8]

Com a melhoria da simulação do ciclismo outdoor em vista, [9] desenvolveu um rolo de treino de

estrutura horizontal Figura 13. Este já constituído por três rolos, dois para a roda traseira e um para a

dianteira.

A estrutura criada por Papadopoulos contém ainda batentes nos extremos da estrutura para assegurar

o posicionamento da bicicleta em cima dos rolos, e nas extremidades do rolo dianteiro para, segundo

o autor, a roda não escapar lateralmente do rolo.

Figura 13: Rolo de treino desenvolvido por [9]

12

Com o inevitável aumento da tecnologia, este tipo de equipamentos foi-se desenvolvendo. Aos poucos

começaram por aparecer os primeiros rolos de treino com sistemas resistivos, cuja finalidade é

conceder aos rolos uma força resistiva ao movimento das rodas no rolo, de intensidade definida, e que

a mesma possa ser controlada. Para esta evolução, muito contribuiu o trabalho [10] ao desenvolver um

sistema resistivo magnético para um rolo de treino (Figura 14).

Segundo o mesmo autor, num equipamento onde um dos rolos era construído num material condutor

da corrente elétrica, este adaptou um conjunto de ímanes, que através da regulação da posição destes

em relação ao rolo, criavam uma força resistiva de diferentes intensidades.

Figura 14: Sistema resistivo magnético desenvolvido por [10]

A evolução deste tipo de sistemas, veio estender a função deste tipo de equipamentos. Aos poucos

começaram a ser utilizadas estruturas semelhantes, os bancos de rolos, para efetuar medições de

potência gerada, para gerar energia elétrica, ou até mesmo para a obtenção de curvas de potência e

calculo da eficiência de motores. A estes encontra-se normalmente acoplado um motor/gerador que

permite as funções descritas, ao qual é adicionado um sistema de dissipação de energia, uma vez que

elevadas potências geradas podem levar a um aumento significativo da temperatura.

2.3. Análise Estrutural De uma perspetiva teórica, o principal objetivo de uma análise estrutural é o cálculo das deformações,

forças internas e tensões. Na prática, a análise estrutural revela a performance estrutural do produto e

assegura a sua estabilidade estrutural, sem que seja necessário o teste direto do produto, [11].

Para engenheiros e designers, a análise estrutural é uma ferramenta que permite prever o

comportamento dos produtos quando solicitados a diferentes carregamentos e mediante determinados

constrangimentos.

O tipo de análise estrutural a aplicar depende não só do produto a ser testado, como também da

natureza do carregamento aplicado e do modo de falha esperado para produto.4

2.3.1. Análise de Elementos Finitos O método dos elementos finitos (FEM), é um método numérico que visa a obtenção de soluções

aproximadas para equações diferencias parciais (PDE). Neste há uma divisão do domínio do problema

4 http://www.solidworks.com/sw/products/simulation/structural-analysis.htm

13

em partes menores, denominadas elementos finitos. Este método é atualmente um dos mais comuns

para a realização de simulações em engenharia mecânica, [12], e é fundamentalmente usado na

resolução de problemas de elasticidade, térmicos e escoamento de líquidos e gases, [13] [14].

À aplicação pratica deste método numérico atribui-se o nome Análise de Elementos Finitos (FEA).Em

engenharia mecânica, este tipo de análise é muito usado na resolução de problemas estruturais, de

vibração e térmicos, [15]. Existem outros métodos semelhantes que permitem solucionar os mesmos

problemas, no entanto, a FEA domina o mercado dos softwares de análise, e será usado como

ferramenta neste trabalho.

Hoje em dia os softwares de CAD e CAE, respetivamente Desenho Assistido por Computador e

Engenharia Assistida por Computador, tem vindo a ser muito utilizados. Estes softwares permitem ao

utilizador analisar parâmetros estruturais como tensões, deslocamentos e frequências naturais.

O SolidWorks, é um software de CAD/CAE que permite a aplicação e visualização dos resultados de

uma análise de elementos finitos. Os resultados são apresentados através de gráficos e animações

[16] e [11].

Embora não sendo uma ferramenta muito utilizada como referência os autores [17] e [12] utilizaram

este software na modelação e análise de novos produtos nos trabalhos que desenvolveram. Ssomad,

Hudzari et al. modelaram e aplicaram uma análise de elementos finitos a uma “harvester han tool”,

ferramenta utilizada para podar, Glodová analisou estruturalmente uma embraiagem.

2.4. Dissipação e aproveitamento de energia Os bancos de rolos têm acoplados motores/geradores que, ao serem solicitados pelo torque aplicado

pelo utilizador ao pedalar nos rolos, vão transformar energia mecânica em energia elétrica. A energia

gerada tem de ser dissipada para evitar um excessivo aumento de temperatura do gerador.

Reduzir o calor produzido no interior do motor/gerador torna-se então uma questão importante também

neste trabalho. Para tal, é importante armazenar ou utilizar diretamente a energia elétrica produzida.

Numa fase subsequente deste trabalho será estudado o armazenamento da energia em baterias,

contudo por agora a energia será dissipada diretamente. As duas situações encontram-se

apresentadas na Figura 15.

(a)

(b)

Figura 15: Possíveis situações de aproveitamento/dissipação de energia. (a) fonte: http://open-source-gallery.org/koko/2015/12/power-up-bike-generators/; visualizado a 7/07/2016 (b) fonte:

http://www.instructables.com/id/How-To-Build-A-Bicycle-Generator/; visualizado a 7/07/2016

14

3. Projeto e Modelação da estrutura O presente capítulo tem como foco o design do equipamento a desenvolver, entendido na forma mais

lata do termo. Segundo [18], o termo “design” é popularmente utilizado para nos referirmos à aparência

estética, com especial referência à sua forma ou aparência externa e à sua função. Segundo o mesmo

autor, design pode ser entendido como todos os processos de conceção, invenção, visualização,

cálculo, refinamento e especificação de detalhes que determinam a forma de um produto. Neste

trabalho associa-se o termo design à geometria e aparência estrutural e estética que o equipamento

apresenta.

No presente capítulo, é primeiramente descrita a metodologia de projeto seguida. Em seguida serão

apresentadas as primeiras três fases delineadas na metodologia, uma vez que se completam. As

restantes fases serão abordadas nos capítulos procedentes por forma a realçar e aprofundar o trabalho

realizado nestas. Assim, na secção 3.1 será apresentada a metodologia de projeto seguida,

apresentando e descrevendo as diferentes fases que a constituem. Na secção 3.2, será escolhido qual

o tipo de estrutura, de entre os mais usuais e apresentados anteriormente no Capítulo 2, em que a

estrutura a desenvolver se deverá basear, funcionando como modelo de base. Uma vez decidido o tipo

de equipamento no qual a estrutura a desenvolver se deve basear, na secção 3.3, apresentam-se os

requisitos do projeto, procedendo-se ao levantamento das principais funcionalidades e características

que a estrutura deve apresentar. Na secção 3.4, serão apresentadas as soluções estudadas de forma

a cumprir com os requisitos anteriormente abordados, terminando a secção com o design final proposto

da estrutura a desenvolver. Por último, na secção 3.5, como forma de constatar o cumprimento dos

requisitos pela estrutura proposta, será apresentada uma breve conclusão do capítulo.

3.1. Metodologia de Projeto Por forma a projetar e desenvolver um banco de rolos que cumpra com os objetivos anteriormente

enunciados (secção 1.2), e que suporte o carregamento a que será sujeito, torna-se necessário definir

um modelo de projeto que sirva de guia ao desenvolvimento do equipamento.

15

Figura 16: Diagrama de desenvolvimento do equipamento, [19]

Na Figura 16 é apresentada a metodologia de projeto seguida no desenvolvimento do equipamento

proposto, baseada no apresentado por [19]. No topo do diagrama, fase “Set Design”, é requerida a

escolha de uma estrutura ou tipo de equipamento que sirva como modelo base da estrutura a

desenvolver. Seguindo o fluxograma (de cima para baixo) serão definidos os principais requisitos e

funcionalidades que o equipamento proposto deve apresentar e permitir. Na fase seguinte é modelada

a estrutura desejada, nunca esquecendo que esta deve cumprir com os requisitos anteriormente

referidos, e apresentar as funcionalidades pretendidas. Terminada a modelação da estrutura, procede-

se à sua validação. Assim, nesta fase é avaliado o carregamento pretendido, com a finalidade de o

aplicar em análises estruturais, que avaliam e validam a resistência da estrutura proposta. No caso de

esta validação ter uma resposta positiva, considera-se que a estrutura é estruturalmente adequada,

seguindo-se para a fase seguinte, a fase de fabrico e montagem do equipamento. Considerando o caso

de a resposta ser negativa, verificando-se uma fraca consistência estrutural, é necessário refazer a

modelação da estrutura, eliminando as eventuais falhas que levam à não validação da mesma.

3.2. Tipo de estrutura e modelo base A estrutura do equipamento é uma das partes fundamentais deste trabalho. Como já abordado no

capítulo anterior, os vários tipos de equipamentos de treino que existem, apresentam diferentes

características e aspetos que os tornam mais ou menos adequados para determinadas solicitações.

A bicicleta estática ficou à partida fora da escolha, uma vez que não permite a utilização de outros tipos

de bicicleta. Quanto ao turbo trainer, embora seja possível o uso de qualquer tipo de bicicleta, o mesmo

não simula na totalidade o ciclismo outdoor. Assim sendo, de entre os três tipos de equipamentos

estudados, o escolhido foi o rolo de treino.

Sendo objetivo o desenvolvimento de um banco de rolos portátil, que permita a simulação do ciclismo

outdoor, a estrutura que servirá de base para o desenvolvimento do mesmo necessita de vir ao encontro

dos equipamentos revistos.

16

Na Figura 17 é apresentado o modelo tipo do equipamento a desenvolver.

Figura 17: Modelo base para a estrutura a desenvolver: rolo de treino ( fonte: http://www.biketribe.com.br/5-exercicios-tops-para-voce-fazer-no-rolo-de-treino/ ;visualizado a 9/04/2016)

3.3. Requisitos e dimensionamento da estrutura Na presente secção serão abordados os principais requisitos e funcionalidades que a estrutura a

desenvolver deve cumprir.

Para o desenvolvimento de um banco de rolos para bicicletas, é requerido que este, em primeiro lugar,

apresente as principais funcionalidades de um banco de rolos:

(i) permitir a geração de energia através da utilização de um motor/gerador e posterior

medição da potência gerada;

(ii) permitir uma fácil e rápida modificação das dimensões da estrutura por forma a ser possível

a utilização de qualquer bicicleta, mediante a substituição de um componente, e tendo

como medidas base os tamanhos das rodas mais comuns atualmente;

(iii) a estrutura deve ser rígida, segura e de fácil arrumação e portabilidade, permitindo ao

utilizador o seu transporte e arrumação com relativa facilidade, em caso de necessidade;

(iv) necessidade de desenvolver um equipamento com materiais de baixo custo de fabrico e

aquisição, e de uso comum.

É no seguimento destas características que, na secção 3.3.1 será calculada a potência máxima gerada

pelo utilizador por forma a verificar se o motor fornecido é adequado. Na secção seguinte, secção 3.3.2,

é determinado o dimensionamento das principais medidas que a estrutura deve apresentar, de modo a

cumprir com as características desejadas.

3.3.1. Cálculo da potência máxima gerada Um dos principais objetivos do banco de rolos projetado, como já referido, visa a mediação da potência

gerada por humanos através do movimento giratório dos pedais de uma bicicleta.

Alguns equipamentos utilizam diretamente a potência mecânica gerada pelos músculos, enquanto

outros, mediante a utilização de geradores, convertem a energia gerada em energia elétrica. Neste

caso em concreto é indispensável a utilização de um motor gerador, que permita converter a potência

17

mecânica gerada em elétrica. Assim, é necessário conhecer qual a potência máxima produzida pelo

utilizador ao pedalar numa bicicleta.

Um humano saudável e treinado consegue produzir elevados níveis de potência num curto período de

tempo [20].

Em 1964, a NASA (National Aeronautics and Space Adminitration) publicou um gráfico representativo

da potência gerada pelo corpo humano no ciclismo que mais tarde foi editado por Dave Wilson, [21].

Do gráfico representado na Figura 18 é possível retirar que para um utilizador saudável (NASA curve

for “healty men”), a potência média varia entre os 150 Watts e os 300 Watts, com uma potência de pico

de, aproximadamente, 750 Watts. No entanto, atletas treinados conseguem gerar uma maior potência

e atingir picos bem superiores.

Figura 18: Potência humana gerada principalmente pelo movimento de pedais (ciclismo) – maximum sustainable power vs duration

Deste modo, recorrendo ao gráfico, extrai-se que, para atletas em perfeitas condições, a potência média

gerada varia entre os 400 Watts e os 500 Watts. Adicionalmente, a potência de pico é

consideravelmente superior, variando consoante o equipamento utilizado e as condições do atleta,

entre os 1000 Watts e os 2378 Watts, atingidos por Manfred Nüscheler em 1991 e 1995,

respetivamente.

Por forma a aferir os valores acima referidos, foi calculada a potência máxima gerada por uma pessoa.

Esta é calculada em Watts [W] através do produto da força resistiva total, em Newtons [N] oferecida ao

18

movimento da bicicleta, com a velocidade [m/s] a que a mesma se movimenta, apresentada na equação

(3.1).

P Fresistiva velocidade= × (3.1)

A força resistiva é calculada através da soma da força aerodinâmica, com a força gravítica e a força de

rolamento, apresentada na equação (3.2).

Fresistiva Frolamento Fgravidade Faerodinâmica= + + (3.2)

A força aerodinâmica consiste na força exercida pelo ar envolvente no conjunto da pessoa e bicicleta

faz-se representar pela equação (3.3), onde:

• ρ é a densidade do ar com um valor de 1,22 Kg/m3.

• A é a área frontal projetada do conjunto ciclista-bicicleta perpendicular à direção de

deslocamento e que segundo [21], é de aproximadamente 0,5 m2. Contudo, dependendo da

posição do ciclista, esta pode obter o valor de 1, sendo este o valor usado.

• Cd é o coeficiente de arrasto e que segundo o mesmo autor tem um valor de aproximadamente

1,15.

• v representa a velocidade a que o ciclista se desloca, para a qual se considerou uma velocidade

média de 50 km/h (13.89 m/s).

212

Faerodinâmica A Cd vρ= × × × × (3.3)

A força de rolamento consiste na resistência oferecida ao rolamento e que é calculada através da

equação (3.4), onde:

• Crr é o coeficiente de resistência ao rolamento e apresenta o valor de aproximadamente 0,007

em bicicletas segundo [20].

• mpb é a massa total da pessoa e da bicicleta, ao qual foi dado o valor de 100 Kg.

• g é a aceleração da gravidade que tem o valor de 9,81m/s2.

pbFrolamento Crr m g= × × (3.4)

A força gravítica é uma força que nem sempre se opõe ao movimento como as duas anteriores. Numa

situação em que exista um declive positivo, em que o ciclista encontra uma subida, a gravidade opõe-

se ao movimento, sendo a força no sentido contrários ao do movimento. No caso em que o ciclista se

encontra a descer, ou seja, com um declive negativo, a gravidade ajuda o ciclista.

A equação (3.5) demonstra isso mesmo, onde:

• mpb é o peso total em Kg.

• g a aceleração da gravidade, 9.82 m/s2.

• α o declive do percurso em graus [º].

19

sinpbFgravidade m g α= × × (3.5)

No cálculo realizado considerou-se um declive nulo, obtendo-se o valor de 142,2Fresistiva =

Newtons, o que ao calcular o produto da mesma com a velocidade de deslocamento se obtém o valor

de 142,2*13,89 1975,85P = = Watts.

Este valor representa uma situação em que é necessário vencer a força gerada pelo deslocamento do

ciclista, sendo considerado um máximo, uma vez que no equipamento a desenvolver o ciclista encontra-

se numa posição estática, a pedalar no mesmo sítio. Como tal, foi calculada a potência gerada nesta

situação, aplicando-se o valor de 0 N à força aerodinâmica, 0Faerodinâmica = . Assim, obteve-se

um valor de potência de 6,87 13,89 95,38P = × = Watts, aproximando-se do valor lido no gráfico,

confirmando o mesmo.

Dos cálculos efetuados conclui-se que o motor gerador a usar deve permitir, em situação de pico, a

produção de 2 KW, uma vez que foi o valor máximo encontrado, embora a potência média se situe por

volta dos 100 Watts.

3.3.2. Dimensionamento da estrutura O dimensionamento da estrutura é uma das principais fases do projeto. Nesta fase são definidas as

principais dimensões que guiarão o desenvolvimento da estrutura, permitindo que o equipamento

cumpra com os requisitos referidos. A estrutura selecionada tem como principais componentes os rolos,

que permitem o funcionamento do equipamento.

Um dos requisitos apresentados visa a utilização do maior número de bicicletas possível tornando a

estrutura o mais universal possível. Como tal é esperado que a estrutura se adapte a diferentes

tamanhos de bicicletas, os quais dependem do tamanho das rodas e da distância entre os eixos das

mesmas. No decorrer do presente trabalho será utilizado a cota “deixos” para fazer referência a esta

distância.

Para que a estrutura permita a utilização de diferentes modelos e tamanhos de bicicletas, foi necessário

definir a distância entre o ponto médio dos rolos traseiros, A, e o eixo do rolo dianteiro, B, como é

indicado na Figura 19, designando-se esta distância por dAB.

20

Figura 19: Representação da distancia AB, entre o rolo dianteiro (Ro1) e a posição média entre os rolos traseiros (Ro2 e Ro3).

Assim, para definir dAB, foi necessário primeiro conhecer quais as distâncias aconselhadas para a

distância entre os dois rolos traseiros, dRo2/Ro3, e a distância entre o eixo da roda dianteira e o eixo do

rolo dianteiro, dRo1/roda, de modo estabilizar a bicicleta nos rolos.

Para a distância entre os rolos traseiros, dRo2/Ro3, é adotado o valor de 300mm. Este valor foi atribuído

com o intuito de não permitir que a roda traseira se solte dos rolos R2 e R3. Contudo esta não poderia

ser muito maior, caso contrário a roda afundaria entre os rolos, aumentando a dificuldade de utilização

do equipamento. Para dRo1/roda, foi definido que o eixo da roda deve posicionar-se tangencialmente ao

rolo, como mostra a Figura 20, dependo então esta distância do diâmetro do rolo.

Figura 20: Posição da roda da bicicleta em relação ao rolo dianteiro

O facto de a posição ideal depender do diâmetro do rolo, levou a necessidade de definir o diâmetro do

rolo a utilizar. Segundo [22] existem variados tamanhos para os rolos, sendo que à medida que o

diâmetro do rolo diminui a resistência oferecida aumenta. Este autor afirma ainda que esta relação é

devida à fricção produzida, uma vez que rolos de menor diâmetro atingem maiores rotações por minuto,

RPM, do que rolos de maior diâmetro, produzindo maior fricção. Assim, foi escolhido um diâmetro de

50 mm, medida habitual em rolos utilizados nos equipamentos de treino para ciclistas, embora seja

uma das medidas mais baixas e de maior resistência.

A última medida necessária para definir a dAB é deixos. Uma vez que esta dimensão não é comum a

todas as bicicletas, pois variam de modelo para modelo, realizou-se um estudo no qual foi medida a

21

distância em causa em várias bicicletas, de diferentes tipos e modelos. Do estudo realizado resultou o

valor de 1100 mm como sendo o mais usual para a distância avaliada.

Recorrendo ao Artigo 1.3.016 de [23], verificou-se que a medida obtida está de acordo com as regras

aplicadas a esta distância, sendo esta a utilizada para o projeto da estrutura.

Obtidas todas as dimensões necessárias para calcular a distância representada na Figura 19, foi

definido um valor de 1125 mm. A Figura 21 representa as dimensões base que regem as

funcionalidades esperadas por parte do equipamento proposto.

Figura 21: Dimensões calculadas para estrutura do equipamento

Uma vez que as medidas utilizadas se encontram majoradas, realizaram-se diversas furações de forma

a ser possível a utilização de diferentes tamanhos de rodas, sendo a distância entre posições do rolo

de 25 mm, correspondendo a metade do rolo (50 mm).

3.4. Design proposto Tomando agora os requisitos, funcionalidades e medidas que guiam o desenvolvimento da estrutura, e

que foram referidos anteriormente, é necessário estudar várias soluções possíveis, de forma a

selecionar a que melhor se adequa, definindo o design final.

As várias soluções apresentadas foram modeladas na ferramenta SolidWorks, por ser considerado,

segundo [24], um dos mais produtivos.

Uma vez que a estrutura é constituída por um número considerável de componentes, foi decidido dividir

a estrutura em subconjuntos. Estes subconjuntos foram determinados a partir da função e posição que

cada peça ou componente apresenta na estrutura.

Assim, a estrutura encontra-se decomposta em quatro subconjuntos, sendo estes:

• Subconjunto da calhas (calhas laterias dianteiras e traseiras e calhas de topo);

• Subconjunto das barras (subconjunto dianteiro e traseiro);

• Subconjunto do rolo (rolo, extremidade e chumaceiras);

• Subconjunto do motor (motor e suporte).

22

Em primeiro lugar serão apresentadas as várias soluções encontradas inicialmente e que serviram de

base para a obtenção do design final. Ao longo da exposição destas soluções, serão enunciadas as

razões pelas quais estas soluções foram reformuladas. Em segundo lugar serão apresentados os vários

subconjuntos da estrutura final modelada, bem como justificadas as suas características e

componentes. Por fim será apresentada a estrutura final completa, as suas principais características e

dimensões, encontrando-se os desenhos técnicos do conjunto principal e dos subconjuntos no Anexo

I.

3.4.1. Soluções iniciais

3.4.1.1. Primeiro design O primeiro design modelado era composto por quatro tubos de secção paralelepipédica, os quais

serviam de rodízio para as barras onde seriam suportados os rolos. Estas barras seriam suportadas

por pequenas rodas ou rolamentos, de forma a permitirem a mobilidade longitudinal dos rolos. A ligação

dos quatro tubos de secção paralelepipédica era feita dois a dois, como podemos ver na Figura 22,

mediante duas barras de união. Estas últimas foram introduzidas para permitir a dobragem da estrutura,

por forma a garantir uma melhor arrumação e transporte.

Em relação à fixação da estrutura, esta era suportada por oito pés intermédios de secção

paralelepipédica e quatro pés de topo.

Figura 22: Primeiro design modelado em Solidworks

Quanto aos rolos inicialmente utilizados estes eram constituídos por um eixo interior fixo nas barras

móveis, que, por sua vez, era revestido por um tubo cilíndrico através de quatro rolamentos (Figura 23).

Figura 23: Constituição do rolo utilizado no primeiro design modelado

Devido à fraca rigidez estrutural que apresentava e uma vez que os tubos de secção paralelepipédica

eram os principais componentes de suporte estrutural, necessitando de aberturas laterais para ser

possível realizar a fixação dos eixos dos rolos, esta primeira solução encontrada foi rejeitada. Outras

das razões que levaram a não seguir com este design foram (i) a dificuldade acrescida na produção de

23

alguns componentes e (ii) o facto de não ser possível o controlo da distância entre os rolos traseiros e

o rolo da frente, cuja função é de extrema importância, permitindo que a bicicleta não saia dos rolos.

3.4.1.2. Segundo design Uma vez que a primeira solução apresentada dispunha de vários problemas, que não permitiam em

parte o desejado funcionamento do equipamento, foi modelada uma segunda estrutura.

Um dos problemas solucionados foi a baixa rigidez. No segundo design, os tubos e as barras foram

substituídos por calhas que assentam no chão, servindo de rodízio, e por barras em “T”, onde se

encontram fixos os suportes dos rolos (Figura 24 e Figura 25).

Figura 24: Segundo design modelado em Solidworks

Figura 25: Barras utilizadas no segundo design

Neste design foi ainda solucionada uma forma de limitar a distância longitudinal máxima que as barras

do rodízio se podem movimentar, como podemos ver na Figura 26, onde está representada parte de

uma das barras traseiras no interior da calha e o bloqueador de movimento.

Figura 26: Calha, barra traseira e bloqueador de movimento longitudinal do segundo design

Apesar de este segundo design já apresentar características mais de encontro com as esperadas na

estrutura final, surgiram ainda alguns impasses:

• Barra em “T” não é economicamente viável e seriam necessários demasiados componentes

(dois rolamentos por roda cada conjunto de duas rodas num total de dezoito conjuntos de

rodas).

24

• O conjunto do eixo do rolo mais o revestimento cilíndrico mostrou-se de difícil execução,

necessitando de ser alterado.

Embora este design já resolva alguns problemas identificados no primeiro design, ainda não satisfaz

na totalidade os requisitos propostos.

3.4.2. Design final da estrutura Como já referido, nesta secção será apresentada a estrutura final modelada para o banco de rolos

proposto. Neste design, os problemas levantados relativamente à solução anterior foram as principais

alterações.

Deste modo, serão apresentados os vários conjuntos constituintes da estrutura, justificando

adequadamente as razões que levaram a escolher cada estrutura.

3.4.2.1. Conjunto das calhas O principal conjunto da estrutura, e que delimita as dimensões do equipamento, é o conjunto das calhas

(Figura 29(a)). As calhas modeladas (Figura 27), de secção 30x28x2 mm, são a base da estrutura, pois

unem todos os conjuntos e garantem a estabilidade do equipamento, uma vez que a sua base está

assente no chão.

Figura 27: Calhas modeladas em alumínio de secção retangular 30x28x2 [mm], com comprimentos de 550, 680 e 1250 milímetros

Estas são unidas nos topos e numa posição intermédia da estrutura. As uniões de topo (Figura 28(a) e

Figura 29(b)) servem para conceder à estrutura uma maior estabilidade, limitando deslocamento

transversais que possam por ventura existir. A união intermédia é realizada por meio de quatro chapas,

que permitem a dobragem da estrutura (Figura 28(b) e Figura 29(c)). No interior das calhas existem

ainda bloqueadores de movimento (Figura 28(c) e Figura 29(b)) cujo objetivo, como o nome indica, é

limitar o deslocamento das barras, acrescentando rigidez à estrutura.

25

(a)

(b)

(c)

Figura 28: Componentes de união da estrutura: (a) união de topo, (b) união intermédia e (c) bloqueador de

movimento.

(a)

(b)

(c)

Figura 29:Calhas: (a) Conjunto total das calhas, (b) detalhe da união de topo e do bloqueador de movimento e (c)

detalhe da união intermédia.

3.4.2.2. Conjunto das barras O conjunto das barras é constituído por dois subconjuntos, o subconjunto das barras traseiras e o das

barras dianteiras, Figura 30. Os dois subconjuntos são unidos por uma barra de união, que unifica o

movimento longitudinal dos rolos, mantendo a distância entre o rolo da frente e os rolos traseiros.

Figura 30: Conjunto das barras unido pelas barras de união

As barras modeladas, dianteiras e traseiras, são constituídas por: (i) três barras de secção

paralelepipédica; (ii) dois rolamentos, que permitem o movimento longitudinal das mesmas; e (iii) quatro

transfer bearing, que servem para guiar as barras no interior das calhas, impedindo que haja fricção

entre ambas.

26

(a)

(b)

(c)

Figura 31: Vista explodida obtida via Solidworks dos subconjuntos (a) barras dianteiras, (b) barras traseiras e (c)

transfer bearing

No conjunto das barras dianteiras (Figura 31(a)), as duas barras verticais são aparafusadas entre si

através de dois parafusos M5. A união da barra superior é conseguida através da utilização de dois

parafusos M6, que atravessam as duas barras laterais, a meio da união das duas. Os furos intermédios

desenhados na barra superior, têm como principal objetivo suster as chumaceiras. Na Figura 32

encontra-se a vista inferior da barra superior, onde se desenharam caixas com a profundida da cabeça

de um parafuso M6, ficando a mesma embutida interiormente na barra.

Figura 32: Detalhe dos furos para a cabeça do parafuso M6, na barra superior do subconjunto da frente

Nas barras traseiras, os furos para os parafusos M6 que sustentam as chumaceiras, são

completamente passantes, ficando a cabeça do parafuso numa caixa semelhante, mas na face inferior

do subconjunto.

3.4.2.3. Conjunto dos rolos Na Figura 33 é apresentado o conjunto do rolo que é constituído por o subconjunto do rolo e pelas

chumaceiras.

O conjunto apresentado é constituído por três peças: um tubo cilíndrico e duas extremidades, que

encaixam à pressão no tubo, Figura 34. Uma das extremidades tem como única função suportar o

rolo, unindo-o à chumaceira. A outra, para além dessa mesma função, serve para guiar uma correia,

que transmite a potência entre os rolos e o motor.

27

Figura 33: Conjunto dos rolos:duas chumaceiras, 2 extremidades e o rolo

Figura 34: Vista explodida do conjunto do rolo, composto por 2 extremidades e um tubo cilíndrico.

As chumaceiras foram inicialmente modeladas com o intuito de utilizar uma impressão 3D para a sua

fabricação. No entanto, dúvidas quanto à resistência mecânica das mesmas (a qual não foi testada), e

após a gentil cedência de seis chumaceiras UCP201 (Figura 35) por parte da Dunbelt, tal veio permitir

o uso de chumaceiras já fabricadas e testadas, apesar de estas últimas serem ligeiramente maiores e

mais pesadas.

Figura 35: Modelo 3D das chumaceiras, cedidas pela Dunbelt

3.4.2.4. Conjunto do motor O último conjunto é o do motor (Figura 36), que foi modelado apenas para permitir o correto

dimensionamento da estrutura e do seu suporte, sendo constituído pelo motor e respetivo suporte

(Figura 37).

(a)

(b)

Figura 36: Conjunto do motor, constituído por: modelo 3D do motor Lynch LM-130 e suporte em “L” de aço inox.

28

Figura 37:Modelo 3D do suporte do motor

O motor, é aparafusado ao suporte através de seis parafusos M6. Por sua vez o suporte assenta na

barra traseira da estrutura, fixado a esta através de dois parafusos M8.

3.4.2.5Conjunto total Apresentados os vários conjuntos que constituem a estrutura do equipamento, é de seguida

apresentada a estrutura na sua globalidade. A Figura 38 ilustra o modelo 3D da estrutura, aberta ou

em posição de utilização, e na Figura 39, encontra-se fechada ou em posição de transporte ou arrumo.

Figura 38:Modelo 3D do banco de rolos em posição de utilização

Quando a estrutura se encontra fechada, o motor e o suporte são passíveis de separar da estrutura,

permitindo uma maior mobilidade e leveza. O subconjunto das barras dianteiras é colocado nas calhas

traseiras, mediante a troca de posição dos bloqueadores de movimento, encostado ao subconjunto das

barras traseiras. Assim, as calhas da frente podem dobrar-se para cima da estrutura traseira,

diminuindo as dimensões máximas da estrutura a nível do comprimento. As barras que unem os

subconjuntos da frente e de trás são também separadas da estrutura.

29

Figura 39: Modelo 3D do banco de rolos na posição fechada.

A Figura 40 apresenta as dimensões gerais da estrutura, que delimitam a mesma nas duas situações

já referidas: a) estrutura aberta e b) estrutura fechada. Na situação a), verifica-se que a estrutura tem

aproximadamente 2 metros em comprimento, contabilizados de ponta a ponta. Em largura, a estrutura

aberta mede 0.83 metros, medidos da extremidade mais à esquerda até à extremidade do motor, à

direita. Na situação b), esta apresenta um comprimento máximo de aproximadamente 1.3 metros,

mantendo a sua largura em relação à situação em que a mesma se apresenta aberta. Na altura, em (a)

a estrutura mede cerca de 0.190 metros, devido ao motor. Em (b) o conjunto do motor pode ser retirado,

variando assim entre a mesma altura da situação (a), ou aproximadamente 0.120 metros, sem o motor

e suporte.

30

(a)

(b)

Figura 40: Dimensões máximas da estrutura: (a) posição de funcionamento (aberta) e (b) posição de arrumo (fechada).

Na Tabela 11 do Anexo I encontram-se os componentes que constituem a estrutura. Nesta é

apresentada o número que cada componente é utilizado na estrutura e o material de que é constituído.

A atribuição do material a cada peça verificou-se necessário nesta fase, sendo crucial não só conhecer

o peso total da estrutura, como também para, numa fase posterior, realizar análises estruturais.

Com recurso à ferramenta Solidworks, obtiveram-se os valores da massa (cerca de 15.8kg), e da área

superficial de todos os componentes e respetivo volume do modelo 3D da estrutura, Figura 41.

Figura 41: Massa [g], volume [mm3] e área superficial [mm2] do modelo 3D da estrutura

Gerou-se ainda a Tabela 12 presente no Anexo I, que contem a massa de cada componente da

estrutura. No gráfico circular 3D é apresentada a distribuição percentual da massa da estrutura pelos

vários componentes e conjuntos (Figura 42).

31

Figura 42: Distribuição percentual da massa da estrutura pelos componentes e principais conjuntos.

3.5. Conclusões do capítulo Com este capítulo foi possível concluir sobre a importância que a fase de design e modelação tem num

trabalho de projeto. Como era esperado, foi necessário iterar entre diferentes designs até se obter o

modelo satisfatório.

Ao longo desta fase determinou-se também a potência do motor gerador a utilizar no protótipo do

equipamento, o qual deve permitir uma potência de pico de 2 KW.

O dimensionamento e modelação da estrutura foi justificado com base nas medidas gerais das

bicicletas atuais, verificando-se que o modelo 3D cumpre com as características e funções pensadas

para o mesmo.

De seguida, foram medidas as principais dimensões da estrutura e o peso total da mesma,

conseguindo-se um comprimento e largura de, aproximadamente, 2 e 0.82 metros, respetivamente,

para a posição de funcionamento da estrutura. Quando dobrada, o comprimento total da estrutura

diminui cerca de um terço do total, passando para aproximadamente 1.3 metros. No entanto, devido ao

comprimento dos rolos, a largura da estrutura permanece a mesma nas duas posições.

Quanto à massa da estrutura, a mesma pesa aproximadamente 15.8 quilogramas, onde cerca de 25%

é devido ao motor e ao seu suporte. O conjunto com maior percentagem de massa é o conjunto dos

três rolos, os quais detêm aproximadamente 22% da massa da estrutura, seguidos dos dois conjuntos

de barras traseiras e os seus constituintes.

No capítulo seguinte irá explorar-se a estabilidade estrutural da estrutura desenvolvida ao longo do

presente capítulo.

32

4. Validação da estrutura e produto final Determinado qual o design que a estrutura a desenvolver deve apresentar, torna-se necessário prever

o comportamento desta quando sujeita a esforços que provém da sua correta utilização. Como tal, é

necessário analisar a resposta da estrutura a estes esforços.

Para avaliar na totalidade a resposta da estrutura, uma análise estrutural a todos os elementos da

mesma seria o mais indicado. No entanto, a análise exaustiva de todos os componentes seria

demasiado extensa, complexa e nalguns casos sem relevo prático. Assim, tornou-se necessário

selecionar quais os elementos críticos da estrutura, e avaliar a integridade estrutural dos mesmos, com

o intuito de concluir sobre a integridade da estrutura. Esta análise foi conseguida com recurso ao

software de CAD SolidWorks, o qual apresenta um add-in designado Simulation, o qual permite realizar

diferentes tipos de análises estruturais pretendidas neste trabalho.

Para determinar quais os componentes críticos da estrutura, identificou-se em primeiro lugar quais os

componentes que estariam sujeites a esforços de maior intensidade. A carga aplicada à estrutura é

devida, quase na totalidade, à pessoa e à bicicleta. Esta é aplicada nos rolos da estrutura, que se

encontram apoiados nos rolamentos das chumaceiras, apresentando-se assim o conjunto do rolo e as

chumaceiras como componentes críticos.

Por outro lado, as barras, sobre as quais assenta toda a estrutura, são suportadas por rolamentos que

se movem no interior de calhas. Logo, os rolamentos e os respetivos eixos, que se encontram

encastrados nas barras são suscetíveis de falhar, sendo candidatos a componentes críticos.

Por último, o suporte para o motor terá de ser suficientemente robusto e rígido para não entrar em

ressonância com a frequência de funcionamento do mesmo. Este aspeto foi também analisado

computacionalmente.

4.1. Análise do carregamento aplicado Conhecer o carregamento aplicado é o ponto mais importante para a validação de uma estrutura ou

componente. Assim, é primeiramente necessário conhecer quais os esforços a que a estrutura vai ser

submetida, determinando posteriormente qual o carregamento aplicado em cada componente da

mesma.

Através da análise das forças aplicadas em diferentes fases, e consequentemente em diferentes

posições do pedalar, é possível aferir qual o carregamento atribuído a cada roda de uma bicicleta.

Numa posição de início de movimento, recorrendo ao balanço das forças aplicadas durante o

movimento, [25] referem que a percentagem do carregamento atribuída a cada roda é de 30% e 70%,

para a roda da frente e roda traseira, respetivamente. Os mesmos autores analisaram ainda qual a

percentagem do carregamento para uma posição de sprint e de climbing. Nestes casos, os valores

calculados foram de 40% e 60% para o primeiro caso e 45% e 55% para o segundo, para a roda da

frente e roda traseira, respetivamente.

33

4.1.1. Medição experimental do carregamento aplicado Como forma de corroborar os valores obtidos pelos autores acima referidos, decidiu-se medir

experimentalmente qual a força aplicada em cada uma das rodas nas posições referidas pelos mesmos.

Seguindo as mesmas ideias, utilizaram-se duas balanças casuais, uma bicicleta de montanha e uma

pessoa de 70kg (Figura 43).

Figura 43: Fotografia da medição experimental do carregamento aplicado.

Embora a estrutura não permita a inclinação na bicicleta simulando uma posição de subida, a mesma

foi tida em conta, sendo aproximada a uma posição onde o ciclista se levante da bicicleta e se incline

ligeiramente para a frente. Na posição de início de movimento o ciclista encontra-se sentado

normalmente na bicicleta a começar a pedalar, enquanto na posição de sprint este encontra-se sentado

na ponta do banco e inclinado para a frente, com as costas paralelas ao terreno, como se observa nas

figuras a), b) e c) daTabela 3, respetivamente.

A medição experimental realizada foi decomposta em 4 passos:

1. Verificação das balanças

2. Medição da massa total, bicicleta + pessoa

3. Simulação das posições de movimento: a) início de movimento, b) sprint e c) climbing

4. Ler os valores medidos nas balanças e apresentar os resultados

5. Concluir acerca dos resultados, comparando com os valores obtidos por [25].

Tabela 2: Valores das massas medidos na análise experimental do carregamento aplicado

Massa da Bicicleta [Kg] Massa da Pessoa [Kg] Massa Total [Kg]

15 70 85

Após realizadas as medições das massas necessárias (Tabela 2), foram simuladas as posições

anteriormente referidas. A partir das medições efetuadas, os valores do peso aplicado em cada uma

das rodas ( .R frenteM e .R traseiraM ), para cada uma das posições pretendidas, foram registados e

encontram-se na Tabela 3

Tabela 3: Posições analisadas e respetivos valores de força medidos .a) arranque , b) sprint, c ) subida

34

(a)

(b)

(c)

.R frenteM

28.5 Kg

.R traseiraM

58 Kg

.R frenteM

34 Kg

.R traseiraF

52.5 Kg

.R frenteM

38.5 Kg

.R traseiraM

47.5 Kg

Verificou-se uma ligeira alteração no valor total do peso nas medições, onde as causas mais prováveis

são as incertezas visuais adicionadas nas leituras das balanças e a instabilidade da bicicleta nas

balanças. No entanto, para o calculo das percentagens considerou-se um total de 85 Kg.

Uma vez medidos e registados os valores das forças, foi calculada a percentagem correspondente em

cada uma das rodas, para cada posição. Calculou-se ainda o erro relativo ( ,R frentee e ,R traseirae ) do valor

encontrado experimentalmente em relação ao valor obtido pelos autores acima referidos.

• Posição de início de movimento

..

28.5[%] 100 33.5%85

R frenteR frente

Total

MF

M= = × = .traseira

.58F [%] 100 68.2%85

RR traseira

Total

MM

= = × =

,R. .

,R.

100 11.6%teo frente R frenteR frente

teo frente

F Fe

F−

= × = ,R.traseira , .,

,R.traseira

100 2.6%teo teo R traseiraR traseira

teo

F Fe

F−

= × =

• Posição de sprint

..

34[%] 100 40%85

R frenteR frente

Total

MF

M= = × = .traseira

.52.5F [%] 100 61.8%85

RR traseira

Total

MM

= = × =

,R. .,

,R.

100 0%teo frente R frenteR frente

teo frente

F Fe

F−

= × = ,R.traseira , .,

,R.traseira

100 3%teo teo R traseiraR traseira

teo

F Fe

F−

= × =

• Posição de climbing

..

38.5[%] 100 45.3%85

R frenteR frente

Total

MF

M= = × = .traseira

.47,5F [%] 100 55.9%85

RR traseira

Total

MM

= = × =

,R. .,

,R.

100 0.7%teo frente R frenteR frente

teo frente

F Fe

F−

= × = ,R.traseira , .,

,R.traseira

100 1.6%teo teo R traseiraR traseira

teo

F Fe

F−

= × =

Os resultados obtidos da análise experimental aproximaram-se do esperado e apresentado por [25].

Os erros calculados são relativamente baixos e estão associados às incertezas já referidas. No entanto

o erro de 11% obtido na posição de início de movimento está associado ao facto de na realidade, ao

se iniciar o pedalar, existir alguma tendência para se dar um ligeiro impulso com o corpo, o qual é

impossível simular na experiência realizada.

35

4.1.2. Distribuição das forças na estrutura Uma vez determinada a percentagem do carregamento total aplicada em cada roda, calculou-se qual

a distribuição do mesmo pela estrutura a desenvolver.

Como se pode verificar na Figura 44, os únicos pontos de apoio da bicicleta na estrutura são os 3 rolos.

Desta forma, o carregamento aplicado na roda da frente é assim passado para o rolo da frente da

estrutura, e da mesma forma, o carregamento sentido na roda traseira da bicicleta é transmitido

igualmente para os dois rolos traseiros, uma vez que a roda assenta de forma igual nos mesmos.

Figura 44: Representação do carregamento nos rolos da estrutura. A verde .R frenteF e .R traseiraF representam o

carregamento aplicado e, a vermelho .r frenteR , . 1r traseiroR e . 2r traseiroR representam a reação nos rolos.

Assim sendo, em cada rolo traseiro é aplicado metade do carregamento da roda traseira. Logo é o rolo

da frente o que vai estar sujeito a uma carga de maior intensidade e o carregamento a ser aplicado na

análise estrutural corresponde à maior intensidade de carga aplicada no mesmo. Esta é de 45% da

carga total, aplicada numa situação em que o ciclista simule uma subida, encontrando-se a pedalar

levantado.

Em média, a massa humana é de 80.7 Kg, atingindo este valor máximo na América do Norte, [26]. O

máximo valor encontrado para a massa de uma bicicleta é de 17 Kg, para uma bicicleta citadina.

Embora este equipamento seja mais apropriado para bicicletas de BTT e de estrada, onde o peso é

mais baixo, utilizou-se este valor superior das bicicletas citadinas para o cálculo da carga, garantindo

que se desta forma funciona, também com bicicletas mais leves funcionará. Assim, o valor total da

carga aplicada à estrutura, calculado pela Segunda Lei de Newton, é de:

F m g (80.7 17) 9.81 958.5total N= × = + × = (4.1)

correspondente à soma da massa da bicicleta com a massa do utilizador. Assim, a força máxima a que

os rolos são sujeites é de 45% da carga total, perfazendo uma força de:

36

.max 0.45 431.4rolo totalF F N= × = (4.2)

4.2. Análise estática ao conjunto do rolo A análise estática tem como objetivo calcular os deslocamentos, deformações, tensões e fator de

segurança de um corpo ou estrutura sob o efeito da aplicação de forças externas, respeitando os

constrangimentos aplicados e as propriedades do material.

Recorrendo ao add-in Simulation do Solidworks, foi realizada uma análise estática ao conjunto do rolo,

Figura 34. Esta foi decomposta em 3 fases: pré-processamento, realização da análise ou

processamento e pós-processamento.

4.2.1. Fase de pré-processamento A fase de pré-processamento da análise foi realizada, em três fases, de acordo com a Figura 45, onde

foram realizados os seguintes passos:

• Em primeiro lugar, ponto 1 da Figura 45 a), foi selecionado o add-in Simulation, onde se iniciou

um novo estudo (pontos 2 e 3).

• Em seguida escolheu-se o tipo de análise a realizar. Esta é uma escolha importante, por forma

a obtermos as respostas que necessitamos. Uma vez que a força é aproximadamente

constante, apenas dependendo da força que provem da massa da bicicleta e do ciclista, foi

selecionada a análise estática (pontos 4 e 5 da Figura 45 b). Neste tipo de análise as cargas

são aplicadas lentamente e gradualmente até ao seu máximo, a partir do qual se mantém

constantes.

• Selecionado o tipo de análise a realizar é necessário definir os vários parâmetros da análise

(ponto 6 da Figura 45 c)): material, dentro do separador “parts”, caso ainda não esteja definido,

“connections”, “fixtures” e “external loads”.

(a)

(b)

(c)

37

Figura 45: Fase de pré-processamento de uma análise estrutural recorrendo ao Solidworks Simulation; a) escolha de um novo estudo, b) selecção do tipo de análise, c) parâmetros da analise.

4.2.1.1. Peças(Parts) No separador “parts” foram selecionadas as peças do conjunto a analisar, bem como o material de

cada peça (Figura 46). Para cada parte do conjunto foram analisados três materiais, ou seja, três para

o rolo e outros três para as extremidades. No entanto a escolha do material não dependerá totalmente

dos resultados obtidos e das suas propriedades mecânicas, sendo também a facilidade e o custo da

obtenção da peça num dado material fatores importantes a considerar. Os materiais a incluir na análise

foram apresentados no capítulo anterior, onde se discutiu o design da estrutura.

Figura 46: Fase de pré-processamento da análise; separador "parts"

4.2.1.2. Ligações (Connections) No separador seguinte, “connections”, definiu-se o tipo de ligação entre as várias peças do conjunto.

Neste conjunto as duas extremidades estão unidas com o tubo cilíndrico por um ajustamento com

interferência. No entanto, para as simulações computacionais, considerou-se que as mesmas se

encontram unidas por soldadura “global contact (bonded)”, sendo esta uma definição “default” (Figura

47).

Esta opção justifica-se por o valor da interferência ser pequeno o que não induz pressões de contacto

entre os componentes com valor significativo, uma vez que se pretende apenas que a ligação se

mantenha no lugar em funcionamento.

Figura 47: Fase de pré-processamento da análise: separador "connections"

4.2.1.3. Condições de Fronteira (Fixtures) Nas “fixtures” são definidas as restrições ao movimento (condições de fronteira) e funcionamento do

corpo rígido, discriminando a interação que a peça ou conjunto realiza com as outras partes da

estrutura. Na realidade, as extremidades do conjunto do rolo estão acopladas às chumaceiras, que

possuem um rolamento no qual as mesmas se inserem. Como tal utilizou-se a opção bearing fixture

(Figura 48) que simula a interação entre um veio, neste caso as extremidades do conjunto, e as

chumaceiras. Esta fixture permite apenas a rotação do rolo em torno do seu eixo, considerando que o

conjunto se encontra apoiado num rolamento.

38

(a)

(b)

(c)

Figura 48: Fase de pré-processamento; (a) seleção do tipo de fixture a aplicar (bearing fixture); (b) fixtures aplicadas ao conjunto; (c) local de aplicação (setas a azul).

4.2.1.4. Carregamento (External loads) Quanto ao carregamento aplicado, “external loads”, foi definida uma força perpendicular ao tubo

cilíndrico, com uma intensidade de .max 431.4roloF N= (calculada no ponto 4.1.2). A aplicação da força

no rolo foi localizada numa área retangular de 40 x 5 mm, simulando a área de contacto entre o pneu

e o rolo. Esta foi analisada em duas posições diferentes, com o intuito de analisar as várias situações

possíveis de onde a bicicleta se pode posicionar. As duas situações encontram-se representadas na

Figura 50, onde em (a) têm-se a posição mais correta e de maior segurança, uma vez que nos

encontramos no centro da estrutura; em (b) têm-se uma posição descentrada, aproximando o

carregamento do apoio direito.

O torque gerado pela interação entre o motor e um dos rolos traseiros, por via de uma correia, não foi

tido em consideração devido ao seu diminuto valor e efeito nas tensões geradas, sendo pouco relevante

em relação ao esforço transverso a que o rolo é sujeito.

Na Figura 49 podemos ver a aplicação da força no conjunto em análise, a qual está representada com

setas de cor rosa.

(a) (b)

39

Figura 49: Fase de pré-processamento: external forces; Força normal de 431,4N.

(a)

(b)

Figura 50: Pré-processamento: localização das forças; (a) força centrada em relação aos apoios; (b) força

descentrada em relação aos apoios.

4.2.2. Fase de processamento Terminada a fase de pré-processamento da análise, onde se definiu as peças a analisar e se definiu

materiais, ligações, constrangimentos e carregamento, iniciou-se a fase de processamento da mesma.

O cerne de uma análise de elementos finitos (FEA) é a discretização, ou seja, a divisão dos objetos

sólidos (Figura 51a) em pequenos elementos, denominados de elementos finitos (FEs) (Figura 51b). A

esta divisão do corpo sólido em pequenos elementos atribui-se o nome malha, sendo esta crucial para

o sucesso da análise.

40

(a)

(b)

Figura 51: Geração da malha de um corpo sólido. (a) Modelo de corpo sólido; (b) Modelo de elementos finitos

O software utilizado permite selecionar dois tipos de malha: standard mesh e curvature based mesh

(Figura 52). Utilizou-se uma malha do tipo standard mesh, uma vez que no conjunto analisado não

estão presentes geometrias demasiado complexas nem de elevada curvatura. No entanto, por forma a

ativar o controlo de malha automático, selecionou-se a opção transição automática, automatic

transition, Este permite realizar um refinamento automático nas zonas onde as geometrias são mais

complexas e assim o exigem.

Figura 52: Parametros da malha

Com o tipo de malha selecionado, foram executadas duas discretizações: (i) a primeira, com a

dimensão típica do elemento de 9 milímetros, uma vez que foi o maior valor para a largura do elemento

que permitiu discretizar todo o conjunto; (ii) a segunda apresenta uma largura do elemento igual a 7

milímetros, ou seja, refinou-se a malha inicial.

Na Figura 53 são apresentados os detalhes das malhas, obtidos com recurso à opção “Mesh Details”

do programa.

41

(i)

(ii)

Figura 53: Detalhes das malhas do tipo “Standart Mesh”; (i) Malha com largura de elemento de 9mm; (ii) Malha

com largura de elemento de 7mm.

Através dos valores obtidos, criou-se a Tabela 4, onde são comparados os parâmetros que melhor

caracterizam as malhas e que têm maior importância na qualidade da malha e posteriormente nos

resultados das análises. Os parâmetros comparados são: tipo de malha, largura dos elementos, nº de

nós da malha, valor máximo da proporção de lados (aspect ratio), percentagem de elementos com um

aspect ratio inferior a três e superior a dez, e, por último, o tempo de execução da malha em segundos.

Tabela 4: Comparação das malhas para diferentes valores de largura dos elementos com transição automática.

Primeira malha Segunda malha

Tipo de malha Standart mesh Standart mesh

Largura dos elementos 9mm 7mm

Nº de nós 56892 66060

Max aspect ratio 72.719 72.841

% Elemento com Aspect ratio < 3 66.7% 57.4%

% Elemento com Aspect ratio > 10 9.36% 1.27%

Tempo de execução da malha [s] 5 s 7 s

Comparando as duas primeiras malhas, verificamos que com o refinar da malha foi possível reduzir a

percentagem de elementos que apresentam um aspect ratio > 10, no entanto o valor máximo de aspect

ratio manteve-se relativamente alto. Relativamente à percentagem de elementos que tem um aspect

ratio < 3, ao refinar-se a malha verificou-se uma diminuição deste valor.

Para que uma análise tenha uma elevada qualidade, o valor máximo recomendável para o aspect ratio

é de 3. Assim realizou-se um refinamento local da malha, diferenciando a largura dos elementos para

as várias peças que constituem o conjunto do rolo. Executou-se uma nova malha, onde se definiu a

largura de elemento de 5 milímetros para o rolo e, através da funcionalidade mesh control, aplicou-se

42

às extremidades do conjunto uma largura de malha de 1 milímetro, sem a função de transição

automática ativa. No entanto, como se pode verificar na Tabela 5, esta malha ainda apresentou um

elevado valor para o máximo aspect ratio, o que levou à execução de uma quarta malha. Na última

refinou-se apenas a largura dos elementos do rolo para 2.5 milímetros, mantendo-se a largura dos

elementos na extremidade em 1 milímetro.

Terceira malha Quarta malha

Peças do Conjunto Rolo Extremidades Rolo Extremidades

Largura dos elementos 5mm 1mm 2.5mm 1mm

Nº de nós 807863 981676

Max aspect ratio 33.18 14.965

% Elemento com Aspect ratio < 3 92.3% 98.5%

% Elemento com Aspect ratio > 10 0.162% 0.000609%

Tempo de execução da malha [s] 58 s 394 s

Tabela 5: Detalhes da malha para uma largura de elemento no rolo de 5 mm e de 1mm nas extremidades

Como a última malha executada apresenta valores aceitáveis, esta foi selecionada para a análise ao

conjunto.

4.2.3. Fase de pós-processamento Uma vez finalizada a discretização do conjunto, foram executadas as duas análises de elementos

finitos: (i) carga centrada; (ii) carga descentrada. Nesta fase, pós processamento, são apresentados e

discutidos os resultados obtidos.

Na primeira situação, obtiveram-se os resultados apresentados na Figura 54 para: (a) tensões de Von

Mises [MPa]; (b) deslocamentos [mm]; (c) fator de segurança.

Relativamente à tensão máxima obtida na análise em questão, a mesma foi de 164.1 MPa, o que

resultou em deslocamentos máximos na ordem dos 14.7 10−× mm e num fator de segurança mínimo

de FS=2.1.

43

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 54: Fase de pós-processamento: Resultados da análise estática conjunto do rolo com carregamento

centrado; (a) Tensão (von Mises [MPa]); (b) Deslocamento nodal [mm]; Fator de segurança; (d) Iso Clipping do fator de segurança na extremidade do conjunto

Na segunda análise, na qual a carga aplicada não se encontra centrada com a estrutura, obtiveram-se

os gráficos de tensão, deslocamento e fator de segurança, apresentados na Figura 55.

Para a tensão máximo obteve-se o valor de 161.8 MPa, localizada na zona de a aplicação da força, e

ligeiramente inferior à tensão máxima da análise centrada (164.1 MPa). O valor do deslocamento obtido

é relativamente pequeno ( 14.3 10−× mm), também situado na zona de aplicação da força.

Relativamente ao fator de segurança resultante, este é de aproximadamente FS=1.8. Embora este

valor seja ligeiramente inferior ao valor mínimo esperado [FS=2], é considerado que o conjunto suporta

os esforços aplicados. Na realidade, as chumaceiras utilizadas irão conceder ao conjunto uma maior

rigidez, devido ao facto de permitirem ligeiros ajustes nos deslocamentos angulares.

44

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 55: Fase de pós-processamento: Resultados da análise estática conjunto do rolo com carregamento

descentrado a 150mm da união com o rolo; (a) Tensão (von Mises [MPa]); (b) Deslocamento nodal [mm]; Fator de segurança; (d) Iso Clipping do fator de segurança na extremidade do conjunto.

Embora fosse de esperar que da análise com carregamento descentrado resultassem valores de tensão

e deslocamento mais baixos, e consequentemente valores de fator de segurança mais elevados, esta

não apresenta um problema à integridade estrutural do conjunto. É esperado que na prática, o

rolamento onde a extremidade que revela o menor FS se insere, permita deslocamentos angulares,

compensando a flexão do conjunto transferindo alguma carga para a extremidade contrária.

4.3. Análise estrutural do suporte do motor Na análise estrutural do motor foram realizadas duas análises diferentes. Em primeiro lugar foi realizada

uma análise estática, para avaliar a resposta estrutural do suporte ao peso do motor acoplado, ou seja,

para verificar que o mesmo suporta a carga aplicada devido ao peso do motor. Em segundo lugar foi

realizada uma análise dinâmica ou de frequências, para calcular quais as frequências naturais para as

quais a estrutura colapsa devido ao peso do motor.

4.3.1. Análise estática Por forma a avaliar a resposta estática do suporte do motor, foram seguidos os mesmos passos da

análise estática ao conjunto do rolo.

4.3.1.1. Fase de Pré-processamento Nesta fase definiu-se qual o material da peça, os constrangimentos a que estava sujeita, e o

carregamento aplicado. Na Figura 56(a) encontram-se os parâmetros da fase de pré-processamento a

definir. Para o material foi definido um aço inox ferrítico, a partir do qual a peça foi produzida. Nas

ligações (connections) não foi definida qualquer ligação, permanecendo com as definições base. Nas

condições de fronteira (fixtures) foi definido que o suporte se encontrava fixo através dos furos dos

45

parafusos que ligam o mesmo às barras da estrutura, simulando esta ligação. Para definir o

carregamento aplicado foi necessário obter a localização do centro de massa do motor e posteriormente

aplicar na análise um carregamento remoto suportado pelos parafusos que suportam o motor, Figura

56(b).

(a)

(b)

(c)

Figura 56: Fase de pré-processamento da análise estática ao suporte do motor; (a) Parâmetros a definir no pré-

processamento; (b) Carregamento remoto de 37 N aplicado na análise; (c) Zoom-in da fixture aplicada.

4.3.1.2. Fase de processamento Nesta fase foi realizada a discretização da peça, ou seja, foi aplicada a malha. Tal como na análise

estática anterior, começou-se por aplicar uma malha com os parâmetros por omissão (default), apenas

selecionando a opção de transição automática, para permitir o refinamento automático nas zonas de

maior complexidade da estrutura, caso fosse necessário. Uma vez que se verificou que esta

apresentava um elevado valor para o máximo aspect ratio, foi realizada uma segunda malha (Figura

57(a)), com uma largura de elemento de 1.5 milímetros. Esta apresenta um valor máximo de aspect

ratio de 10.143 e uma percentagem de elementos com aspect ratio inferior a 3 de 99.9%,Figura 57(c).

(a)

(b)

(c)

Figura 57: Fase de processamento da análise estática ao suporte; (a) Zoom-in da malha aplicada; (b)

Parâmetros da malha aplicados; (c) Detalhes da malha.

46

4.3.1.3. Fase de pós processamento Realizada a análise, obtiveram-se os gráficos da tensão de von Mises [MPa], do deslocamento nodal

[mm] e do fator de segurança, que quantifica a segurança estrutural do suporte relativamente aos

constrangimentos e carregamento aplicados, Figura 58.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 58: Fase de pós-processamento: Resultados da análise estática ao suporte do motor; (a) Tensão (von

Mises [MPa]); (b) Zoom-in na zona de tensão máxima; Deslocamento nodal [mm]; (d) Fator de segurança.

Desta análise conclui-se que estaticamente o suporte resiste ao carregamento aplicado, o qual

corresponde ao peso do motor utilizado. A máxima tensão de von Mises calculada foi de

aproximadamente 41.5 MPa, situada no canto do suporte que assenta na chumaceira, Figura 58(b). A

localização desta tensão máxima era esperada, uma vez que é uma zona que contempla uma elevada

concentração de tensões. Contudo, a tensão máxima obtida é inferior à tensão de cedência do material

de 172.3 MPa, resultando num fator de segurança da análise de FS=4.2, Figura 58(d), validando

estaticamente o suporte.

47

4.3.2. Análise Dinâmica ou de Frequências Por forma a verificar que a estrutura não entra em ressonância com a frequência de funcionamento do

motor, foi realizada uma análise dinâmica ou de frequências, seguindo a mesma ordem de ideias das

análises estáticas já apresentadas.

4.3.2.1. Fase de pré-processamento Na análise de frequências os parâmetros a definir assemelham-se aos parâmetros de uma análise

estática, apenas sendo necessário indicar o número de frequências próprias que se pretende calcular.

As “fixtures”, o carregamento aplicado e o material do suporte foram definidos tal como na análise

estática, pois não dependem do tipo de análise a aplicar, neste caso, mas sim das condições em que

a mesma é realizada. Quanto ao número de frequências a calcular foram escolhidas as 5 primeiras,

introduzindo o mesmo nas propriedades da análise, Figura 59(b).

(a)

(b)

Figura 59: Fase de pré-processamento da análise de frequências ao suporte do motor; (a) Parâmetros da

análise; (b) Propriedades > Opções > Número de frequências a calcular.

4.3.2.2. Fase de processamento A discretização do suporte em elementos finitos foi recuperada da análise estática realizada no

subcapítulo 4.3.1, na qual foi gerada uma malha com uma largura de elemento de 1.5 milímetros.

4.3.2.3. Fase de pós-processamento Tal como definido na fase de pré-processamento, ao correr a análise determinou-se as cinco primeiras

frequências naturais do suporte, apresentadas na Figura 60.

Figura 60: Primeiras 5 frequências naturais que levam ao colapso do suporte do motor.

Uma vez calculadas as frequências naturais, recorreu-se aos dados do fabricante do motor com o

intuito de obter a frequência a que o motor trabalha. Através da consulta da ficha técnica do motor,

48

obteve-se o valor do “rated speed” do motor LEM-130 modelo 95, o qual é de 4968 rpm, ou seja, 82.8

Hertz. Uma vez que o motor tem de permitir uma velocidade (rpm) superior à que a pessoa consegue

gerar, temos que a velocidade em rotações por minuto da pessoa será sempre inferior à do motor.

Assim sendo, também a sua frequência será inferior.

Comparando as frequências calculadas com a obtida do fabricante do motor, verifica-se que a primeira

frequência natural, 100.39 Hertz, é superior à frequência de funcionamento do motor, evidenciando que

o suporte é adequado e estruturalmente válido.

4.4. Análise estrutural do eixo dos rolamentos Na análise estrutural dos eixos dos rolamentos (Figura 61(a)) optou-se por não se utilizar o software

anteriormente utilizado, e aplicou-se uma análise de corte puro baseada na Mecânica dos Materiais.

(a)

(b)

Figura 61: (a) eixo dos rolamentos; (b) secção transversal do eixo dos rolamentos

Numa análise de corte puro a tensão de corte média na secção transversal ( medτ ) é calculada através

da equação (4.3),

cmed

PA

τ = (4.3)

onde Pc é a força de corte aplicada e Aº a área da secção transversal (Figura 61(b)), calculada na

equação (4.4)

2 2 23.5 38.5A r mmπ π= = × ≈ (4.4)

No caso em questão, a carga máxima aplicada a um eixo é sentida nas barras traseiras, sendo aplicada

no caso extremo 70% da carga total e adicionado o peso do motor. A carga suportada por um eixo é

calculada na equação (4.6).

. 0.7 958.5 0.7 37 707.95total traseira total motorF F F N= × + = × + = (4.5)

. 1774

total traseiraeixo

FP F N= = ≈ (4.6)

49

Substituindo os valores calculados nas equações (4.4) e (4.6) na equação (4.3) obtemos uma tensão

de corte média de 4.6med MPaτ ≈ . Comparando a tensão de corte média calculada com a tensão de

cedência do material do eixo (AISI 1010 Steel, hot rolled bar) de 180MPa , verificamos que a primeira

é cerca de quarenta vezes inferior.

Importa referir que a equação (4.3) dá um valor médio, o que não corresponde ao valor máximo dado

pela expressão ⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠c

máxmáx

P QI t

τ , em que I é o 2º momento de área da secção, Q o 1º momento da

área acima do ponto considerado e t a espessura da seção nesse ponto. Sendo a secção circular, à

medida que nos aproximamos do eixo neutro da seção, o valor de Q aumenta mas também aumenta o

valor de t. Disto resulta que o uso da expressão (4.3) tem aproximação suficiente, reforçado pelo facto

de a tensão de corte média obtida (4.6 MPa) ser muito baixa.

A partir do valor obtido conclui-se que ao ser muito inferior à tensão de cedência do material, a tensão

de corte média não vai afetar o funcionamento do eixo.

4.5. Validação estrutural das chumaceiras Uma vez que as chumaceiras utilizadas já foram previamente testadas e validadas quanto à carga

máxima que suportam, não se achou necessário recorrer a uma análise estrutural. Como tal recorreu-

se aos catálogos do fabricante [27] , onde se obteve os valores máximos de 12.8 KN para o

carregamento dinâmico e 6.65 KN para o carregamento estático.

Como foi previamente calculado, a carga máxima estimada aplicada ao conjunto do rolo é de 431.4N.

Cada um destes conjuntos é suportado por duas chumaceiras, o que implica uma carga de

431.4 2 215.7N÷ = aplicada a cada chumaceira.

Comparando a força máxima admissível designada pelo fabricante com aplicada, conclui-se que a

chumaceira utilizada é estruturalmente estável.

4.6. Validação estrutural dos rolamentos Para validar estruturalmente os rolamentos aplicou-se o mesmo raciocínio utilizado nas chumaceiras.

Recorrendo ao catálogo de rolamentos [28] da NTN Americas, obteve-se o valor de 750 lbs,

aproximadamente 340 quilogramas, ou seja, aproximadamente 3400 N para o carregamento radial

dinâmico máximo e 315 lbs, aproximadamente 143 quilogramas, ou seja, 1430 N para o carregamento

radial estático.

Uma vez que a força estimada, aproximadamente 170 Newtons (17quilogramas), a que estes se

encontram sujeitos é muito inferior ao máximo suportado, conclui-se que os rolamentos utilizados são

adequados para os esforços envolvidos.

50

4.7. Conclusões do capítulo Ao longo do presente capítulo foi avaliada a estabilidade estrutural da estrutura proposta. Esta foi

aplicada aos componentes mais críticos, que estariam sujeitos a esforços superiores e como tal era

necessário assegurar a sua rigidez estrutural.

Da análise estática realizada ao conjunto do rolo verificou-se que este é uma das partes mais críticas

da estrutura. As tensões e deslocamentos gerados no conjunto não interferem com o correto

funcionamento do mesmo, resultando da análise com carregamento centrado efetuada um fator de

segurança de 2.1FS = e da análise descentrada um 1.8FS = .

Foi ainda possível verificar, tal como era esperado, que as zonas mais solicitadas seriam as zonas de

transição nas extremidades do rolo, no caso das tensões. Isto deve-se ao facto de ser uma zona de

elevada concentração de tensões, situação que já era esperada.

Relativamente à análise estática e dinâmica ao suporte, as mesmas revelaram-se de grande

importância.

Na análise estática comprovou-se que o peso que o motor aplica no suporte não intervém na sua

segurança estrutural, sendo possível fixar o suporte às barras unicamente pelos 2 parafusos M8.

Adicionalmente concluiu-se ainda que não é necessária a adição de “ribs” ao suporte, uma vez que a

flexão do mesmo é reduzida, não interferindo com o funcionamento nem pondo em causa a segurança

da estrutura.

A análise dinâmica ou de frequências revelou que o suporte não entra em ressonância com a frequência

de funcionamento do motor.

Em último lugar, quanto às chumaceiras e os rolamentos, que foram analisados com base nas

propriedades fornecidas ou em catálogos dos fabricantes, e no caso dos eixos, aos quais se aplicou

uma análise de corte puro, concluiu-se que o seu uso é adequado e que os mesmos apresentam uma

resposta estável quando solicitados com a carga projetada.

Por fim, relativamente à estrutura completa, conclui-se que a mesma é estruturalmente válida. Uma vez

que os componentes referidos como críticos suportam as cargas para as quais foi projetada, então a

estrutura no seu todo também. Assim sendo, no capítulo seguinte será abordada a construção da

estrutura avaliada.

51

5. Desenvolvimento do protótipo Uma vez desenhada e validada estruturalmente a estrutura, iniciou-se a fase de construção e posterior

montagem da mesma. A construção do protótipo apresenta-se como uma das últimas fases, apenas

seguida pela fase de testes ao funcionamento do banco de rolos e conclusões.

Neste capítulo é descrita a fase de construção do protótipo, onde são abordadas as várias operações

realizadas desde que se obteve o material em bruto até à peça final. É ainda apresentada a análise de

custos, onde é estimado o valor real da estrutura, e comparado com os custos obtidos.

5.1. Construção do protótipo Tal como na construção de uma casa é necessário começar pelas estruturas que suportam tudo o

resto, na construção e montagem de uma estrutura ou equipamento também o mesmo é necessário.

Na Figura 62 é apresentado o diagrama no qual se encontram definidos os vários conjuntos que

constituem a estrutura, e o seguimento de construção dos vários componentes da estrutura e da

montagem da mesma.

Figura 62:Diagrama de construção da estrutura. Conjuntos e componentes do Banco de Rolos;

Da Tabela 6 até à Tabela 9 são apresentadas as operações e processos de fabrico utilizados na

construção dos componentes dos vários conjuntos da estrutura. Na Tabela 6 encontram-se as

operações e processos correspondentes ao conjunto das calhas, na Tabela 7correspondentes ao

conjunto das barras, na Tabela 8ao conjunto do rolo e, por ultimo, na Tabela 9encontram-se as

operações e processos efetuados aos componentes do conjunto do motor.

Em primeiro lugar, construíram-se os componentes que constituem o conjunto das calhas. Apesar de

ser a base de toda a estrutura, este é o que menos condiciona os restantes conjuntos.

52

As calhas de alumínio foram patrocinadas pela empresa José Maria - Alumínios Lda5, a qual

comparticipou também as barras da estrutura e as chapas de união. Estas foram obtidas do fabricante

já com os comprimentos necessários, o que fez diminuir o número de processos a realizar nas mesmas

e consequentemente a quantidade de desperdícios. Inicialmente marcou-se os centros dos furos a

realizar em todas as calhas, para posteriormente, com recurso a um engenho de furar, serem realizadas

as furações necessárias. Para terminar, foi levada a cabo uma fase de acabamento, onde se utilizou

uma lixa para alumínio com tamanho de grão de 120 e 240, para remover as arestas vivas e a rebarba

resultante das furações.

Os bloqueadores de movimento e as uniões de_topo_L foram produzidas por impressão 3D em PLA,

a partir de um modelo de impressora Ultimaker 2, disponível no DEM.

As chapas de união foram produzidas em alumínio. As mesmas foram adquiridas já devidamente

cortadas e furadas de acordo com o desenho geométrico enviado para a oficina.

Tabela 6: Processo de construção dos componentes do conjunto das calhas.

Peça Operações e Processos de Fabrico

Calhas 1-Furação 2-Acabamento

-Marcação dos

centros dos furos

-Furação com broca

5.5mm.

-Lixas para

alumínio com

tamanho de grão

120 e 240.

Bloqueadores de movimento e

União_Topo_L 1-Impressão 3D em ABS

-Modelação 3D das peças

-Impressão da peça através do

ficheiro .STL.

Chapas de União Sem operações

-As chapas de união foram adquiridas já cortadas e furadas devidamente.

Em segundo lugar, na construção dos componentes do conjunto das barras, começou-se pelas barras

do conjunto, onde se marcou os centros dos furos a abrir em cada barra. Primeiro, foram fresadas as

caixas para os rolamentos, em cada barra lateral. Seguiu-se com a furação nas barras laterais de todos

furos de diâmetro 5,5mm e os furos para os eixos dos rolamentos e para os transfer bearings, unindo-

5 http://www.novoportugal.com/jose-maria-aluminios-lda/

53

se as mesmas posteriormente com parafusos M5. Abriram-se dois furos de diâmetro 6.5mm nos

extremos de cada barra horizontal, de cada um dos subconjuntos e em cada união de duas barras

laterais, ficando metade do furo em cada barra. Uniram-se as barras horizontais aos respetivos

subconjuntos e abriram-se os restantes furos passantes de 6.5mm e os furos para o suporte do motor

de 8,5 de diâmetro, com o intuito de certificar a concentricidade dos mesmos. Para que as cabeças dos

parafusos ficassem embutidas no conjunto, abriram-se caixas com o diâmetro da cabeça dos

parafusos, com o intuito das mesmas ficarem justas. Para finalizar limou-se as arestas vivas e a rebarba

resultante das furações.

Relativamente aos eixos dos rolamentos, os mesmos foram torneados a partir de um varão de aço.

Realizou-se um facejamento, seguido de um desbaste mais grosseiro e um acabamento em metade

do eixo. Cortou-se o eixo do varão com recurso a uma serra automática, e torneou-se igualmente a

outra metade do eixo. Os rolamentos, cuja ficha técnica se encontra na Tabela 19 do Anexo III, e os

transfer bearings foram encomendados via internet.

Tabela 7:Processo de construção dos componentes do conjunto das barras.

Peça Operações e Processos de Fabrico

Barras 1-Fresagem 2-Furação das Barras laterais

-Marcação dos

centros das caixas

-Fresagem com

fresa de 15mm

-Marcação dos

furos

-Furação com

brocas de 3mm,

5.5mm e 9mm e

fresa de 10mm.

3-Furação das barras de topo e de união

4-Acabamento

-Furação com

broca de 3mm,

6.5mm e 8.5mm.

-Acabamento

com lima e lixa de

tamanho de grão

120 e 240.

Eixos dos rolamentos

1- Torneamento 2-Corte

-Facejamento;

-Desbaste;

-Acabamento.

-Corte com serra

automática.

Rolamentos e Transfer Bearings

Sem operações

-Rolamentos ABEC-5 608-ZZ e transfer bearing adquiridos via internet

54

Na construção do terceiro conjunto, o conjunto do rolo, começou-se por cortar através de uma operação

de torneamento, para que o rolo ficasse concêntrico, os tubos de aço (pés das mesas do IKEA) no

comprimento desejado. Posteriormente foram adquiridas as extremidades, maquinadas em duralumínio

e as chumaceiras UCP201, patrocinadas pela DUNBELT6, cuja ficha técnica se encontra na Tabela 18

do Anexo III. As extremidades encaixam sobre pressão nos rolos (tubos de aço) e nos rolamentos das

chumaceiras, as quais permitem ainda um aperto com dois pernes.

Tabela 8:Processo de construção dos componentes do conjunto do rolo

Peça Operações e Processos de Fabrico

Rolo 1-Torneamento

- Torneado com pastilha para abertura de caixas.

Extremidades do Rolo

Sem Operações

- A peça foi adquirida já maquinada.

Chumaceiras Sem operações

- Chumaceiras UCP201, patrocinadas pela DUNBELT.

.

Por último, foi construído o conjunto do motor. O único componente do conjunto que foi necessário

maquinar foi o suporte do motor.

Adquirida a chapa de aço inox de 2 mm de espessura, foram realizados os furos de 6.5mm, e 8.5mm

de diâmetros. Inicialmente usou-se uma broca de 2mm para os furos de 6.5mm de diâmetro e uma de

2mm seguida de uma de 6.5mm para os furos de 8.5mm de diâmetro, devido à rigidez do material. Foi

ainda adicionado líquido lubrificante durante a furação, para promover o escoamento das aparas e

arrefecer a broca e o material, isto aliado a uma velocidade de furação baixa e um avanço lento. Na

abertura do furo central foram realizados vários furos ao longo do perímetro do mesmo, precocemente

marcado, e quebrou-se, com recurso a um maço, o círculo central. Antes de se realizar a quinagem da

chapa a 90º, cortou-se a chapa com uma rebarbadora, e limou-se as arestas vivas resultantes do corte.

As operações foram realizadas no LTO do DEM, com a ajuda e orientação dos funcionários.

O motor Lynch LEM-130 (95) foi utilizado na estrutura uma vez que se encontrava disponível, e as suas

características, nomeadamente a potência máxima, é compatível com a calculada no ponto 3.3.1.

As correias de transmissão usadas foram patrocinadas pela DUNBELT, a qual patrocinou também a

polia do motor, sob consulta das dimensões standard das mesmas, no catálogo do fabricante.

6 http://dunbelt.com/

55

Tabela 9: Processo de construção dos componentes do conjunto do motor.

Peça Operações e Processos de Fabrico

Suporte do motor 1-Furação 2-Corte

-Marcação dos

centros dos furos

-Furação com

broca de 3mm,

6.5mm e 8.5mm.

-Corte com

rebarbadora.

3-Quinagem 4-Acabamento

-Quinagem a 90º.

- Utilizou-se

uma lima para o

acabamento.

Motor Sem Operações

-Lynch Motor LEM-130 (95), fornecido pelo orientador do trabalho.

Correias Sem operações

-Correias de transmissão, patrocinadas pela Dunbelt.

Uma vez maquinados todos os componentes da estrutura, foram erguidos os vários conjuntos pela

ordem apresentada no diagrama da Figura 62. A junção dos vários conjuntos resultou no banco de

rolos apresentado na Figura 63.

Figura 63: Estrutura final desenvolvida.

56

5.2. Análise de Custos Durante o presente capitulo, foi demonstrado o processo de produção levado a cabo para a construção

do protótipo. Com o intuito de avaliar os gastos necessários para a construção do mesmo, foi realizada

uma análise de custos de fabrico. Com esta, pretende-se comparar o investimento realizado para a

construção do protótipo com o custo que o mesmo teria caso a construção fosse atribuída a uma

empresa externa.

Para a realização desta análise tiveram-se em conta três conjuntos de componentes: (i) os meios de

produção, (ii) os componentes modificados e (iii) os componentes adquiridos.

No primeiro caso, (i) os meios de produção, analisou-se os custos referentes a ferramentas específicas

ou instrumentos intervenientes nos processos de fabrico, cuja sua compra foi necessária. Na Tabela

13do apresenta-se os meios de produção contabilizados nesta análise, onde é possível verificar o custo

[€] dos mesmos e o investimento [€] realizado, ou seja o montante gasto na construção do protótipo.

Na Broca metal HSS 3.5 x 70 mm e na Broca metal HSS 5.5 x 93 mm, uma vez que a unidade envolvia

dois exemplares, não se contabilizou o custo unitário.

Relativamente ao ponto (ii), analisaram-se os componentes da estrutura, aos quais foi necessário

aplicar processos de fabrico, como torneamento, fresagem, furação, entre ou outros. A análise realizada

a este grupo encontra-se apresentada na Tabela 15, Tabela 16 e Tabela 17 do Anexo II.

Os valores apresentados para as matérias-primas foram informados pelo fornecedor dos componentes

em causa. O mesmo sucedeu com os custos de mão-de-obra associados ao tempo de execução da

operação – CHH, e os custos associados ao tempo de utilização das máquinas utilizadas – CHM,

presentes na Tabela 10, os quais também variam de empresa para empresa. As horas de trabalho de

mão-de-obra – HH, e de tempo de utilização das máquinas – HM, são valores aproximados, uma vez

que foi necessário, em determinadas operações, aprender a executar a mesma, diminuindo o tempo

com o número de operações iguais ou semelhantes executadas.

Tabela 10: Custos associados ao tempo de mão-de-obra – CHH, e ao tempo de utilização das máquinas – CHM.

Da análise realizada a este conjunto de componentes resultou o gráfico circular apresentado na Figura

64(a).

Em (iii), onde se teve em conta os componentes adquiridos sem a necessidade de serem processados,

isto é, sem que fosse necessário realizar qualquer processo de fabrico para obter o componente final,

foram contabilizados vinte e três componentes diferentes da estrutura. O preço unitário dos parafusos,

ProcessosdeFabrico CHH[€/h] CHM[€/h]Furação 8 20Fresagem 8 25Quinagem 8 25Torneamento 10 30Impressão3D 5 10Cortec/serraautomática 6 20Cortec/rebarbadora 6 15

57

das porcas e das anilhas é apresentado no mercado em [€/Kg], no entanto nesta análise considerou-

se o preço unitário aproximado. Deve-se ainda ter em conta que, os preços em causa variam com o

local de compra. Quanto aos restantes componentes do conjunto, os seus custos de aquisição foram

fornecidos pelos fornecedores.

Na Tabela 14 do Anexo II é apresentada a análise realizada para o ponto (iii). Desta resultou o gráfico

circular da Figura 64(b), onde podemos verificar os valores em euros investidos nos componentes deste

conjunto, e o valor em euros poupado com patrocínios.

(a)

(b)

Figura 64: Resultados da análise de Custos ao conjuntos (ii) e (iii), (a) e (b) respetivamente.

Realizou-se ainda uma análise geral aos custos da construção do protótipo, a partir da qual se obteve

os resultados apresentados na Figura 65. A partir destes verificamos que o valor investido na

construção do protótipo é aproximadamente 24 % do valor total necessário para a construção,

representado a azul-escuro na Figura 65a, e que o conjunto dos componentes modificados, (ii), seria o

conjunto com custos mais elevados, cerca de 64% do total (Figura 65b).

(a)

(b)

Figura 65: (a) Análise de Custos total; (b) Distribuição dos Custos pelos conjuntos de componentes.

5.3. Conclusões do capítulo Relativamente à fase de construção dos vários componentes da estrutura, conclui-se que a mesma

decorreu conforme previsto, sem a ocorrência de problemas críticos. Desta fase retirou-se ainda um

ganho de experiencia no que toca à execução dos vários processos de fabrico realizados, e um

58

acréscimo dos conhecimentos teóricos sobre os processos de fabrico. Relativamente ao material base

da estrutura, o alumínio, ficou-se a conhecer um pouco mais sobre como aplicar a este os vários

processos de fabrico, e as suas propriedades intrínsecas.

Durante o processo de fabrico e construção de alguns componentes, foram sentidas ligeiras

“dificuldades” na concentricidade dos furos das barras. Posteriormente concluiu-se que o melhor

método de furação seria a furação simultânea dos furos correspondentes, certificando assim a sua

concentricidade.

Comparando o valor calculado para o investimento total, 601.82 €, com os preços indicativos

apresentados no início do presente trabalho, conclui-se que relativamente aos rolos de treino, cuja

estrutura é muito semelhante, o valor calculado é bastante superior, aproximadamente 2 a 3 vezes

mais. No entanto os preços apresentados para os equipamentos são preços de venda ao consumidor

quando a produção dos mesmo é feita em massa, o que não se verifica com o equipamento

desenvolvido, cujo custo de produção apresentado é unitário.

Com a análise de custos realizada, conclui-se que como era objetivado para o trabalho, o valor poupado

com patrocínios e com a obtenção de materiais de fácil acesso foi cerca de 76% do custo estimado

para a construção do protótipo em causa. Com isto verifica-se que foi feita uma boa gestão do

investimento necessário, contabilizando o valor total gasto de 144.24 €.

59

6. Testes ao protótipo Neste capítulo serão abordados os testes realizados ao protótipo construído, com o evidente propósito

de verificar se os requisitos definidos para a estrutura no início deste trabalho são realmente cumpridos.

Como tal, serão levados a cabo testes específicos para cada requisito, por forma a justificar o

cumprimento ou não dos mesmos.

Em primeiro lugar, recordando os requisitos definidos no início deste trabalho, o protótipo construído

deve:

1. Funcionar como banco de rolos, simulando de forma aproximada o ciclismo outdoor, de

maneira segura, e assegurar o posicionamento da bicicleta em cima dos rolos, numa situação

de aceleração espontânea;

2. Permitir a medição da potência gerada, ou apresentar uma estrutura apta a fazê-lo;

3. Permitir a utilização de diferentes tamanhos de bicicletas, ou seja, diferentes distâncias entre

eixos, através de uma fácil e rápida modificação dos rolos, para os vários tamanhos;

4. Ser de fácil transporte e arrumação.

Uma vez recordados os requisitos, definiu-se, para cada requisito apresentado, o(s) teste(s) que melhor

comprova(m) o cumprimento do mesmo. Assim, foram realizados os seguintes testes:

1. Utilização do equipamento construído e avaliação da:

a. Utilização do equipamento;

b. Segurança do equipamento;

c. Simulação de uma aceleração espontânea.

2. Medição da potência gerada por um utilizador;

3. Medição do tempo [s] de modificação dos rolos para os vários tamanhos permitidos e avaliação

dificuldade da operação;

4. Transporte e arrumação da estrutura.

Como tal, da experimentação do protótipo, e da realização dos testes designados, concluiu-se que:

1. No primeiro teste, que consistia na utilização do protótipo, avaliando a sua facilidade e

comodidade de utilização, bem como a segurança sentida e a simulação de um movimento

específico, o protótipo corresponde com o que era objetivado, permitindo ligeiras mudanças de

velocidade sem a perda de controlo.

2. O motor incorporado não foi possível testar dento do tempo limite, não sendo possível realizar

atempadamente a medição da potência gerada e averiguar o correto funcionamento do

equipamento.

3. A troca de posição do rolo da frente requer algum tempo, demorando aproximadamente 3 min.

Este tempo é principalmente devido ao número de operações a efetuar para realizar a troca.

4. Embora as dimensões da estrutura sejam reduzidas, quando dobrada na posição estabelecida

para transporte e arrumação, esta apresenta-se ligeiramente pesada e com as suas dimensões

60

ainda elevadas para uma única pessoa a transportar com relativa facilidade. Quanto ao

arrumar, a mesma não ocupa grande espaço.

Conclusões do capítulo Dos testes realizados ao protótipo construído, é verificado que a estrutura apresenta ainda algumas

funções que devem ser melhoradas, nomeadamente as correias que não funcionam corretamente,

escorregando por vezes. Também os transfer bearings utilizados não se encontram perfeitamente

ajustados às calhas da estrutura, como era de esperar, uma vez que corresponde a uma das

dificuldades sentidas durante a fase de construção do mesmo.

Contudo, a estrutura cumpre na sua grande maioria com os objetivos propostos no início do presente

trabalho.

61

7. Conclusões e trabalho futuro A presente dissertação de mestrado consistiu em três fases fulcrais: a fase de design e modelação, a

fase de validação da estrutura modelada e a fase construção do protótipo.

Por forma a construir uma base teórica sobre o tema em epígrafe, começou-se por realizar uma revisão

bibliográfica, apresentada no capítulo 2 do presente trabalho. Nesta foram abordados os diferentes

equipamentos de treino associados ao treino indoor de ciclismo e diversas patentes desenvolvidas ao

longo dos tempos.

Da pesquisa realizada foi possível recolher um vasto conhecimento sobre os temas abordados,

permitindo escolhas fundamentadas durante as várias fases do trabalho.

Assim, numa primeira fase, no capítulo 3, definiu-se a metodologia de projeto a seguir durante este

trabalho, a qual se mostrou bastante útil para este tipo de trabalho. Durante esta fase, foi ainda

dimensionada a estrutura a desenvolver, visando o cumprimento dos objetivos definidos para o produto

e modelados vários designs para a estrutura.

A modelação foi realizada com recurso ao software de CAD SolidWorks, o qual se mostrou bastante

funcional e interativo. O primeiro design modelado foi rejeitado devido a problemas na sua rigidez

estrutural e à previsão de dificuldades acrescidas da fase de construção do protótipo. Na segunda

solução encontrada foram satisfatoriamente solucionados os problemas encontrados na primeira

solução. No entanto, os requisitos e objetivos requeridos não foram verificados, o que levou à

modelação de uma terceira estrutura. Com esta os problemas encontrados foram devidamente

solucionados, obtendo-se uma estrutura viável de construir.

Numa segunda fase, procedeu-se à validação da última estrutura modelada, aplicada aos elementos

críticos da mesma. A análise estrutural foi desenvolvida com recurso ao SolidWorks Simulation, que

permitiu a aplicação de análises de elementos finitos estáticas, ao conjunto do rolo e ao suporte do

motor, e dinâmica ao suporte do motor.

A consulta de catálogos de produtos com o pensamento virado para a validação do carregamento

aplicado a determinados componentes da estrutura, permitiu um ganho de experiencia ao autor deste

trabalho, na realização deste tipo de tarefas.

Embora tenha sido obtido um resultado menos favorável para a situação de carga descentrada na

análise ao conjunto do rolo, com as análises realizadas, concluiu-se que a estrutura é viável de

construir.

Por fim, na terceira fase, desenvolveu-se o protótipo da estrutura. Os processos de fabrico aplicados

aos componentes da estrutura foram realizados pelo próprio autor, o que permitiu um ganho de

experiencia prático em operações de torneamento, fresagem e furação de alumínio. No fim, foi possível

identificar alguns erros cometidos durante algumas operações, as quais no futuro serão evitadas.

62

A grande maioria dos principais constituintes foram patrocinados por empresas externas, como é o

caso das barras de alumínio, as calhas, as chumaceiras e as correias. Este contacto com as empresas

na procura de materiais permitiu desenvolver a capacidade social do autor.

Da análise de custos aplicada ao trabalho desenvolvido, concluiu-se que o objetivo de construir um

equipamento com materiais de fácil acesso e baixo custo foi conseguido, uma vez que se gastou

aproximadamente 144 euros, ou seja 24% da quantia estimada que se iria gastar.

Por fim, conclui-se que o trabalho que se propôs desenvolver, foi satisfatoriamente cumprido,

terminando com uma estrutura funcional e estruturalmente válida.

Como trabalho futuro, sugere-se:

• o desenvolvimento de um novo sistema de fixação dos rolos, que permita uma melhor e mais

rápida alteração das dimensões possíveis, permitindo ainda que estas sejam ligeiramente

modificadas de forma a gerar maior ou menor tensão nas correias.

• a melhoria do sistema de aproveitamento da energia dissipada, como por exemplo na

alimentação de ventilador que simule o vento exterior, consoante a velocidade medida,

simulando com maior rigor o ciclismo outdoor

• o desenvolvimento de um controlador para aplicar ao motor, por forma a controlar a força

resistiva oferecida pelos rolos, permitindo a simulação de um percurso real com declives;

• a construção de uma plataforma de armazenamento e leitura de dados, que permita a

visualização instantânea dos parâmetros medidos;

63

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of Science and Medicine in Sport, 2000. 3(4): p. 414-433. 2. Webster, J.M., A. West, and P. Conway and M. Cain, Development of an automated cycle

ergometer. Engineering Procedia, 2011. 13: p. 69-74. 3. Xydas, A., Design of a New Biycle Ergometer. 2010, Loughborough University: Loughborough. 4. Astrand, P. and K. Rodahl, Textbook of Work Physiology. 1986, New York. 5. Hawley, J.A., K.H. Myburgh, and S.C. Dennis, Training techniques to improve fatigue resistance

and enhance endurance performance. Journal of Sports Sciences, 1997. 15(3): p. 325-333. 6. Phillips, C.M., Bicycle trainer. 1992, Google Patents. 7. Miguel, J.M. and L.S. Rotaeche, Training bench for cyclists. 2009, Google Patents. 8. Defaux, G., Bicycle training device. 1990, Google Patents. 9. Papadopoulos, L.C., Roller trainer assembly with safeguards. 2011, Google Patents. 10. Kolda, C.D. and P.V. Colan, Magnetic resistance system for a roller-type bicycle trainer. 2005,

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Design. 2013: Academic Press. 564. 12. Glodová, I., T. Lipták, and J. Bocko, Usage of Finite Element Method for Motion and Thermal

Analysis of a Specific Object in SolidWorks Environment. Procedia Engineering, 2014. 96: p. 131-135.

13. V. Ivančo, K.K., K. Kostolný,, Finite element method I. 1994. 14. M. Vrbka, M.V., Finite element method contribution. 2010. 15. Kurowski, P.M., Engineering Analysis with SOLIDWORKS Simulation 2015. 2015. 16. SolidWorks. SolidWorks fundamentals. 2013 28-08-2016]; Available from:

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17. Ssomad, M.A.H.A., et al., Finite Element Analysis for Stress Distribution of Hand Tool Harvester. Procedia Engineering, 2013. 68: p. 219-224.

18. Childs, P.R.N., Chapter 1 - Design, in Mechanical Design Engineering Handbook. 2014, Butterworth-Heinemann: Oxford. p. 1-24.

19. Hendrickson, A. and C. Buckhurst, Chapter 24 - Mechanical Design in Theatre, in Mechanical Design for the Stage. 2007, Focal Press: Boston. p. 265-278.

20. Ikonen, M., Human Power - About the Possibilities to Power Vehicles with Human Muscles. 2011: Terrassa, Spain.

21. Wilson, D.G., Bicycling Science. 3º Edition ed. MIT Press. 2004: The MIT Press; third edition edition (March 19, 2004). 485.

22. KREITLER. WHICH KREITLER ROLLER MODEL IS RIGHT FOR ME. [cited 2016 2016-01-15]; Available from: http://www.kreitler.com/choosing-the-right-system/.

23. FPC, Guia de Controlo da Bicicleta e do Equipamento, U.F.-F.P.d. Ciclismo, Editor. 2007. 24. Ames, E.B., Productivity and Return on Investment from Solidworks® 3D CAD Software. 2006,

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Biomechanics, 1979. 12(7): p. 527-541. 26. Walpole, S.C., et al., The weight of nations: an estimation of adult human biomass. BMC Public

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2014. 28. NTN, Ball and Roller Bearings, N. Americas, Editor. 2009: USA.

64

Anexos

Anexo I: Tabelas de componentes e Desenhos técnicos.

Tabela 11: Tabela de peças da estrutura: descrição, quantidade e material de cada peça

65

Tabela 12: Tabela de distribuição de peso da estrutura [gramas]

66

Anexo II: Análise de Custos. Tabelas realizadas em Excel para auxiliar a análise de custos associados ao desenvolvimento do banco

de rolos para bicicletas apresentado durante o presente trabalho

Tabela 13: Análise de Custos realizada aos Meios de Produção

Tabela 14: Análise de custos realizada aos componentes adquiridos.

Meios de Produção Qtd. Custo [€/unit]

Custo [€]

Investimento [€]

Lixa Manual Metal Gr 120 1 0,72 € 0,72 € 0,72 € Lixa Manual Metal Gr 240 1 0,72 € 0,72 € 0,72 € Broca metal HSS 3,5 x 70 mm 2 - 3,29 € 3,29 € Broca metal HSS 5,5 x 93 mm 2 - 4,49 € 4,49 € Broca metal HSS 6,5 x 101 mm 1 4,99 € 4,99 € 4,99 € Broca metal HSS 9 x 125 mm 1 7,99 € 7,99 € 7,99 €

TOTAL-> 22,20 € 22,20 €

Belt1-1 1 20,57 € 20,57 € - € Belt2-2^Conjunto_Total 1 9,36 € 9,36 € - € Chapa_Uniao_Calha 4 2,50 € 10,00 € - € Chumaceira_Dunbelt 6 10,52 € 63,12 € - € Hexagon Flange Nut ISO - 4161 - M5 - N 2 0,15 € 0,30 € 0,30 € Hexagon Nut ISO - 4036 - M2 - N 2 0,05 € 0,10 € 0,10 € Hexagon Nut ISO - 4036 - M5 - N 28 0,08 € 2,24 € 2,24 € Hexagon Nut ISO - 4036 - M6 - N 24 0,10 € 2,40 € 2,40 € ISO 10669-8.8-N 2 0,05 € 0,10 € 0,10 € ISO 1224 - 100822 - R,8,SI,NC,8_68 8 0,25 € 2,00 € 2,50 € ISO 4014 - M5 x 35 x 16-N 16 0,18 € 2,95 € 2,50 €

ISO 4014 - M5 x 45 x 16-N 4 0,18 € 0,74 € 2,50 €

ISO 4014 - M6 x 30 x 18-N 4 0,25 € 1,00 € 2,50 € ISO 4014 - M8 x 40 x 22-N 2 0,35 € 0,70 € 2,50 €

ISO 4762 M5 x 16 --- 16N 10 0,20 € 2,00 € 2,50 € ISO 4762 M6 x 10 --- 10N 6 0,28 € 1,68 € - €

ISO 4762 M6 x 45 --- 24N 16 0,28 € 4,48 € 4,48 € ISO 7045 - M2 x 16 - Z --- 16N 2 0,15 € 0,30 € 0,30 € Linch_Motor_LEM130-95 1 - € - € Transfer_Bearing 16 0,75 € 12,00 € 15,00 € Veio_Rolo_Rolamento 3 8,00 € 24,00 € 24,00 € Veio_Rolo_Rolamento2 3 10,00 € 30,00 € 30,00 € Washer ISO 7093 - 6 12 0,05 € 0,60 € 0,60 €

TOTAL--> 190,64 € 94,52 €

Custo unitário [€]

Custo [€]

Investimento [€] Componente Qtd.

67

Tabela 15: Análise de custos realizada aos componentes modificados – Custo da matéria-prima (continua na Tabela 16 e na Tabela 17).

Tabela 16: Análise realizada aos componentes modificados – Custo das transformações (processos de fabrico aplicados) (continua na Tabela 17)

Peso [Kg]

Custo [€/Kg]

Custo [€/unit]

Barra_Frente_Superior 2 0,160 4,00 €

Barra_Traseira_Superior 2 0,454 11,34 € Barra_Uniao_Frente&Traseira 2 0,387 9,68 € Bloqueador_Movimento_Barras 8 0,006 30,00 € 0,17 € Calha_Estrutural_Topo 2 0,301 6,91 € Calha_Frente 2 0,243 5,58 € Calha_Traseira 2 0,552 12,70 €

Rolo 3 0,789 - 3,00 €

Uniao_Canto_L 4 0,064 30,00 € 1,92 €

Suporte_Motor 1 0,529 52,00 € 27,52 €

Eixo_Rolamentos 8 0,007 15,00 € 0,10 €

Barra_Traseira_Direita&Esquerda 4 0,519 12,98 €

Componente

25,00 €

23,00 €

Matéria-Prima

Qtd.

Barra_Frente_Direita&Esquerda 4 0,180 4,49 €

Processos de Fabrico HH [h]

HM [h]

Custo da Operação

[€]

Custo [€/unit]

Fresagem 0,050 0,083 2,48 € Furação 0,083 0,083 2,33 €

Barra_Frente_Superior 2 Furação 0,167 0,167 4,67 € 4,67 € Fresagem 0,050 0,083 2,48 € Furação 0,100 0,100 2,80 €

Barra_Traseira_Superior 2 Furação 0,167 0,167 4,67 € 4,67 € Barra_Uniao_Frente&Traseira 2 Furação 0,050 0,050 1,40 € 1,40 € Bloqueador_Movimento_Barras 8 Impressão 3D 0,033 0,333 3,50 € 3,50 € Calha_Estrutural_Topo 2 Furação 0,033 0,033 0,93 € 0,93 € Calha_Frente 2 Furação 0,050 0,050 1,40 € 1,40 € Calha_Traseira 2 Furação 0,083 0,083 2,33 € 2,33 €

Torneamento 0,100 0,100 4,00 € Corte c/ serra automática 0,033 0,067 0,27 €

Rolo 3 Torneamento 0,033 0,033 1,33 € 1,33 € Furação 0,250 0,250 7,00 € Corte c/rebarbadora 0,033 0,033 0,70 € Quinagem 0,017 0,017 0,55 €

Uniao_Canto_L 4 Impressão 3D 0,033 0,667 6,67 € 6,67 €

Suporte_Motor 1

Eixo_Rolamentos 8

Barra_Traseira_Direita&Esquerda 4

Componente Qtd.

Barra_Frente_Direita&Esquerda 4

Transformações

5,28 €

4,27 €

8,25 €

4,82 €

68

Tabela 17: Análise de custos realizada aos componentes modificados – Resultados finais

Barra_Frente_Superior 2 8,66 € 17,32 € - €

Barra_Traseira_Superior 2 16,01 € 32,01 € - € Barra_Uniao_Frente&Traseira 2 11,08 € 22,17 € - € Bloqueador_Movimento_Barras 8 3,67 € 29,40 € - € Calha_Estrutural_Topo 2 7,85 € 15,69 € - € Calha_Frente 2 6,98 € 13,96 € - € Calha_Traseira 2 15,03 € 30,07 € - €

Rolo 3 4,33 € 13,00 € - €

Uniao_Canto_L 4 8,59 € 34,36 € - € TOTAL--> 388,98 € 27,52 €

Suporte_Motor 1

Eixo_Rolamentos 8

37,24 €

Barra_Traseira_Direita&Esquerda 4 73,05 €

Componente Investimento [€]Qtd. Custo

[€]

Custo unitário

[€]

Barra_Frente_Direita&Esquerda 4 - € 9,31 €

18,26 €

4,37 €

35,77 €

34,94 €

35,77 €

- €

- €

27,52 €

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Anexo III: Fichas técnicas das chumaceiras e dos rolamentos. Tabela 18: Tabela de dados técnicos das chumaceiras UCP201 (bearing house units) utilizadas [27].

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Tabela 19: Tabela de dados técnicos dos rolamentos ABEC -5 608ZZ utlizados [28].

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