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GINA COROMOTO SEQUEIRA AIKAWA
SIMULAÇÃO DA GEOMETRIA DE MOVIMENTAÇÃO DE PAINÉIS
BASCULANTES DE UM AUTOMÓVEL
São Paulo
2007
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GINA COROMOTO SEQUEIRA AIKAWA
SIMULAÇÃO DA GEOMETRIA DE MOVIMENTAÇÃO DE PAINÉIS
BASCULANTES DE UM AUTOMÓVEL
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
para obtenção do Título de Mestre Profissional em
Engenharia Automotiva.
Área de Concentração:
Engenharia Automotiva
Orientador:
Prof. Dr. Douglas Lauria
São Paulo
2007
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Este exemplar foi revisado e alterado em relação à versão original, sob
responsabilidade única do autor e com a anuência de seu orientador.
São Paulo, 29 de outubro de 2007.
Assinatura do autor________________________________
Assinatura do orientador____________________________
FICHA CATALOGRÁFICA
Aikawa, Gina Coromoto Sequeira
Simulação da geometria de movimentação de painéis bascu-
lantes de um automóvel / G.C.S. Aikawa. -- ed.rev. -- São Paulo,
2007.
p.
Trabalho de conclusão de curso (Mestrado Profissional em
Engenharia Automotiva) - Escola Politécnica da Universidade de
São Paulo.
1.Automóveis 2.Painéis móveis 3.Unigraphics-motion 4.Porta-
malas I.Universidade de São Paulo. Escola Politécnica II.t.
DEDICATÓRIA
Ao meu marido e filhos, e a todos que se interessam
pela Engenharia Automotiva. Espero que esse
trabalho ajude de alguma forma a apurar o
entendimento do assunto explorado nele.
AGRADECIMENTOS
Ao meu marido e filhos, pela compreensão e constante apoio.
Ao meu orientador Prof. Dr. Douglas Lauria pelo incentivo constante,
dedicação e pelas diretrizes dadas, sem as quais o presente trabalho não seria
possível.
À General Motors do Brasil Ltda., em especial a Emerson Fischler, pela
oportunidade e ajuda inestimável.
Aos meus colegas do curso pelo companheirismo e incentivo constante.
A todos que colaboraram no desenvolvimento e execução desse
trabalho e que involuntariamente foram omitidos.
RESUMO
A proposta deste estudo é desenvolver uma metodologia associada a um
programa de computação gráfica que permita simular a movimentação dos
painéis basculantes de um automóvel durante a fase de estudo de viabilidade
do projeto, usando como informação apenas a superfície externa do veículo
fornecida pelos artistas do Departamento de Estilo e sem a necessidade de se
desenhar toda a estrutura do veículo. A metodologia atual apenas compreende
verificações estáticas da movimentação dos painéis basculantes devido à
subutilização dos recursos computacionais já disponíveis na empresa. Isso
impede o estudo da sensibilidade das múltiplas propostas de solução possíveis
para todos os temas apresentados para um projeto, pelo Departamento de
Estilo. O presente trabalho deverá gerar uma metodologia de análise que
conduzirá a um modelo de tomada de decisão relativa à movimentação de
painéis. O critério de análise e o modelo de tomada de decisão serão, então,
aplicados à geometria de movimentação de uma tampa de porta-malas de um
automóvel modelo Sedan, usando os recursos computacionais necessários e
disponíveis para tanto.
Palavras-chave: Automóvel. Simulação. Painéis basculantes. Unigraphics-
Motion.
ABSTRACT
The purpose of this study is to develop a methodology associated to an
engineering computer program that will allow the simulation of automobile
movable panels during the project’s viability study. It will be used as reference
only the vehicle external surface released by Design Department, without the
entire body structure. The lack in the utilization of computational resources
nowadays available at the company turns into a current methodology which only
performs a static analysis of the movable panel’s. This practice disables the
analyses of the multiple possible solutions for all the themes proposed by the
Design Department. This work will propose an analysis methodology to lead to
a decision making model to support the movable panels movement subject.
This model will be applied to a Sedan vehicle using the computers resources
required and available.
Key words: Automobile. Simulation. Movable panels. Unigraphics-Motion.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Trajetórias arbitrárias congruentes..................................................6
Figura 2 – Trajetórias circulares congruentes...................................................7
Figura 3 – Trajetórias em forma de linhas retas paralelas................................7
Figura 4 – Toyota Yaris - Eixo imaginário das dobradiças do capô..................8
Figura 5 – Chevrolet Lacetti - Eixo imaginário das dobradiças da tampa do
porta-malas..........................................................................................................9
Figura 6 – Chevrolet Lacetti - Eixo imaginário das dobradiças da porta
lateral.................................................................................................................10
Figura 7 – Chevrolet Lacetti - Pontos de ancoragem da dobradiça do capô na
carroceria...........................................................................................................10
Figura 8 – Acesso e alcance a tampa do porta-malas....................................13
Figura 9 – Visibilidade traseira........................................................................15
Figura 10 – Visibilidade dianteira.......................................................................15
Figura 11 – Fases de escolha do tema do Departamento de Estilo..................17
Figura 12 – Sistema de referência tridimensional do veículo............................18
Figura 13 – Vista traseira e secção B -B...........................................................19
Figura 14 – Informação preliminar do estúdio proposta 1.................................22
Figura 15 – Informação preliminar do estúdio proposta 2.................................22
Figura 16 – Movimento de abertura do porta-malas de um veículo modelo
sedan.................................................................................................................24
Figura 17 – Movimento de abertura do capô de um veículo..............................24
Figura 18 – Grandezas envolvidas....................................................................25
Figura 19 – Rotação de um corpo rígido...........................................................26
Figura 20 – Aceleração do ponto P...................................................................27
Figura 21 – Esquema do processo de análise...................................................30
Figura 22 – Verificação de visibilidade traseira inferior.....................................34
Figura 23 – Secções necessárias......................................................................35
Figura 24 – Geometria e abertura da tampa de um veículo modelo sedan......36
Figura 25 – Alcance e acesso ao porta-malas...................................................37
Figura 26 – 3 posições de centro de rotação.....................................................38
Figura 27 – Palio – mola helicoidal....................................................................39
Figura 28 – Omega – Amortecedor à gás..........................................................40
Figura 29 – Corolla – Molas de torção ..............................................................40
Figura 30 – Massas do modelo real...................................................................41
Figura 31 – Dimensões do modelo real.............................................................42
Figura 32 – Dimensões do modelo 2.................................................................43
Figura 33 – Dimensões do modelo 3.................................................................43
Figura 34 – Ângulo de abertura das propostas estudadas................................45
Figura 35 – Acoplamento...................................................................................48
Figura 36 – Junta de revolução.........................................................................49
Figura 37 – Movimentação................................................................................49
Figura 38 – Gerar gráfico...................................................................................50
Figura 39 – Matriz para tomada de decisão......................................................52
Figura 40 – Painel externo e interno da tampa..................................................55
Figura 41 – Secções da estrutura dos painéis...................................................56
Figura 42 – Braço da dobradiça deslocado no sentido –X................................58
Figura 43 – Nova posição do CG.......................................................................59
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 – Curvas resultado das 3 simulações................................................50
Gráfico 2 – Simulações do modelo 2 ................................................................60
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Valores medidos no veículo na posição 15°....................................44
Tabela 2 – Valores de F calculados algebricamnete.........................................47
Tabela 3 – Valores de F calculados a partir do gráfico......................................51
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
DE Departamento de Estilo
EP Engenharia de Produto
PB Painéis basculantes
SAE Society of automotive engineers
CAE Computer aided engineering
CONTRAN Conselho Nacional de Transito
FMVSS Federal Motor Vehicle Safety Standards
ECE Economic Commission Europe
CAD Computer aided design
CG Centro de gravidade
SM Scenario for Motion
LISTA DE SÍMBOLOS
F Força [ N ]
P Peso [ N ]
Θ Coordenada angular [ rad ]
m Massa [ kg ]
a aceleração [ m/s² ]
at aceleração tangencial [ m/s² ]
an aceleração normal [ m/s² ]
k,r vetores de posição
v velocidade [ m/s ]
ω velocidade angular [ rad/s ]
α aceleração angular [ rad/s² ]
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO.....................................................................................................1
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA............................................................................3
2. PAINÉIS BASCULANTES AUTOMOTIVOS....................................................9
2.1. CRITÉRIOS DE
ERGONÔMIA...............................................................11
2.2. LEGISLAÇÃO.........................................................................................14
2.3. CINEMÁTICA DO MOVIMENTO...........................................................16
3. METODOLOGIA DE ANÁLISE ATUAL.........................................................17
4. METODOLOGIA DE ANÁLISE PROPOSTA.................................................21
4.1. DADOS DO PAINEL..........................................................................21
4.2. MODELO DE CÁLCULO...................................................................23
4.3. MODELO DE SIMULAÇÃO...............................................................29
4.4. ESTUDO OPERACIONAL – TOMADA DE DECISÃO......................31
5. ESTUDO DE CASO – AUTOMÓVEL MODELO SEDAN..............................33
5.1. PREPARAÇÃO PARA ANÁLISE.......................................................33
5.2. ESFORÇOS MEDIDOS.....................................................................44
5.3. VERIFICAÇÕES DE ERGONOMIA...................................................45
5.4. APLICAÇÃO DO MODELO ALGÉBRICO.........................................46
5.5. APLICAÇÃO DO MODELO DE SIMULAÇÃO...................................48
5.6. MATRIZ PARA TOMADA DE DECISÃO...........................................52
6. MELHORIAS PARA O MODELO
2................................................................54
7. CONCLUSÃO...............................................................................................61
8. TRABALHOS FUTUROS...............................................................................62
REFERÊNCIA
1
INTRODUÇÃO
Ao inicio do projeto de um novo automóvel o Departamento de Estilo
(DE) de uma indústria automobilística apresenta cerca de seis temas
elaborados pelos seus artistas. Tais temas expressam a intenção de estilo
dentro da proposta de mercado solicitada pelo projeto em questão. Estes
temas são submetidos à aprovação da diretoria executiva da empresa para que
possam ser desenhados e modelados em escala natural e posteriormente
submetidos a uma clínica composta por clientes que possuem o perfil
consumidor para o produto em análise. Nesta clínica será definido o tema
vencedor a ser desenvolvido até a implementação do projeto e o lançamento
do veículo.
Na fase inicial do projeto, quando os artistas estão trabalhando nas
propostas, é importantíssimo que a Engenharia de Produto (EP) estabeleça
critérios para garantir que o desenho concebido possa ser posteriormente
manufaturado. Estes critérios visam definir as condições de manufatura do
veículo, evitando que modificações posteriores, necessárias para viabilizar a
manufatura, descaracterizem o estilo aprovado anteriormente.
Atualmente as análises são feitas de forma limitada a algumas seções
típicas, que expressam dimensões a serem respeitadas para atender pré-
requisitos de manufatura e das legislações vigentes, tais como visibilidade
mínima requerida, altura exigida para a iluminação do veículo, entre outros.
Nestas secções, porém, não é possível verificar nem representar a geometria
de movimentação dos painéis como capô, portas laterais, tampa de porta-
malas e portinhola de combustível, entre outros. O tempo elevado demandado
para a verificação detalhada destas movimentações para as várias propostas
recebidas do estilo impede a sua realização na fase inicial de definição das
formas externas do veículo. Por esta razão tais análises são deixadas para um
estágio posterior do projeto, com o tema final já tendo sido aprovado em
clínicas e em vias de execução.
2
A limitação imposta pela impossibilidade de análise das secções típicas
em todas as propostas recebidas do DE tem comprometido o tema final do
projeto no que diz respeito aos painéis móveis. Alterações solicitadas pela
engenharia após a definição do produto a ser fabricado e que afete vincos ou
as linhas do veículo podem descaracterizar o tema aprovado. Tal fato leva à
manutenção da proposta de estilo já aprovada, impondo-se ao veículo
restrições que podem levar a situações de inferioridade face à concorrência, no
que tange aos painéis móveis.
A proposta deste trabalho é apresentar a forma com que se faz
atualmente a análise prévia da movimentação dos painéis móveis de veículos e
propor uma alternativa mais rápida e objetiva de fazê-lo, associada esta
alternativa a um modelo de pré-dimensionamento de esforços específicos, de
interesse neste estágio do estudo. Tal proposta visa permitir a análise de todas
as sugestões de estilo em tempo suficiente para se poder sugerir alterações de
forma antes da definição do produto final. Com isso será possível partir para o
detalhamento da forma de veículo escolhido com os parâmetros de
movimentação de painéis já devidamente enquadrados nas várias limitações
impostas tanto pela legislação quanto pela ergonomia ou por quaisquer outros
critérios existentes. O modelo de análise a ser desenvolvido, aplicado em
conjunto com um programa de simulação de movimentos, deverá permitir a
rápida verificação das soluções propostas. Será possível assim solicitar
modificações ao Departamento de Estilo antes da submissão dos temas à
diretoria, certificando-se assim que qualquer dos temas seja aprovado
guardando as características de estilo já aceitos.
3
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
O processo de desenvolvimento de produtos pode ser definido como um
conjunto de atividades envolvendo a maior parte dos departamentos de uma
empresa. Tem ele como objetivo a transformação de necessidades de mercado
em produtos ou serviços economicamente viáveis. O processo de
desenvolvimento de produtos engloba desde o projeto do produto, em sua fase
principal, até a avaliação do produto pelo consumidor.
Podem ser definidas, formalmente, sete fases para o desenvolvimento
de um projeto, cada uma com características e finalidades especificas
(KAMINSKI, 2000):
• 1ª fase – Estudo de Viabilidade
• 2ª fase – Projeto básico
• 3ª fase – Projeto Executivo
• 4ª fase – Planejamento da Produção/Execução
• 5ª fase – Planejamento da Disponibilizarão ao Cliente
• 6ª fase – Planejamento do Consumo ou Utilização do Produto
• 7ª fase – Planejamento do Abandono do Produto.
Segundo o autor, é durante o Estudo de Viabilidade que se deve
especificar as características técnicas do produto; definindo os critérios de
projetos. No Projeto Básico a melhor solução é submetida a um exame mais
profundo, que demanda construções de modelos matemáticos mais apurados e
até a construção de protótipos.
A fase de estudo de viabilidade, que Xu e Galloway (2004) chamam de
fase de conceito de projeto, é a fase guiada por um processo criativo onde
devem ser determinadas as funções e o estilo do produto. Eles propõem nesta
fase o uso de um modelo de comportamento que aperfeiçoe a geometria e as
propriedades dinâmicas do produto. Nesta fase deve-se fazer uso de fórmulas
e regras já conhecidas para rapidamente iniciar a confecção do novo produto.
4
Estas ferramentas dão subsidio para que sejam feitas verificações sucessivas
até que a melhor solução seja encontrada.
Ecker, Salvatore e Zirpoli (2005) ressaltam que nos dias de hoje se faz
uso em grande escala da informática como ferramenta de simulação, motivado
este uso principalmente pela redução de tempo e custo de desenvolvimento de
um novo produto. Segundo os autores, ferramentas de simulação não apenas
reduzem os custos de protótipos antecipando a fase de testes, como também
melhoram a qualidade do produto por propiciar informações importantes em
fases iniciais de desenvolvimento. As ferramentas virtuais auxiliam os
engenheiros de produto a visualizar fenômenos repetidamente, podendo
avaliar precisa e antecipadamente causa e efeito de soluções em estudo. Além
disso, propõe os autores o uso de ferramentas de simulação para introduzir
profundas mudanças na cultura de soluções de problemas nas organizações.
O estudo operacional é uma técnica comumente aplicada para a solução
de problemas. Ela consiste em variar o problema que se tem em mãos para
resolver uma situação insatisfatória, traçando um plano para a identificação da
melhor solução. De fato, o estudo operacional apóia-se no necessário para a
solução de problemas: identificar o problema e as alternativas de solução, para
então finalmente tomar uma decisão. Algumas dessas estratégias são lógicas
ou analíticas, enquanto outras naturalmente intuitivas. As estratégias analíticas
são fáceis de reproduzir em computador, segundo Fritz (1993).
Simuladores são aplicados em grande escala na engenharia para
permitir uma tomada de decisão em etapas iniciais de projetos. De acordo com
Xu (1998), em função dos avanços ocorridos na área tecnológica e
relacionados a equipamentos e aplicativos, a simulação passou a representar
um papel cada vez mais importante no ciclo de desenvolvimento de um novo
produto, sendo responsável direta por uma redução de tempo e custo de
desenvolvimento. O autor relata também de forma bastante clara o papel da
simulação em diferentes épocas da indústria automobilística mundial. Segundo
sua análise, quando métodos de simulação inexistiam, ou ainda se
5
apresentavam como uma ferramenta do futuro restrita a poucos centros de
pesquisa, o processo de desenvolvimento era basicamente composto por um
ciclo de “Projeto – Teste”, ou “Tentativa e Erro”. Tais processos estavam
totalmente vinculados à construção de protótipos, testes físicos e correções de
projeto baseadas nas respostas obtidas, resultando em ciclos longos e
onerosos. O autor indica a utilização da simulação como ferramenta de suporte
ao projeto, aplicada pela maioria das montadoras ao final da década de
noventa. Esta etapa não era necessariamente cumprida, representando um
auxílio na solução de problemas identificados durante testes físicos. Como
tendência para evolução deste estágio de desenvolvimento é sugerida a
utilização de simulação como etapa mandatória desde a fase de conceituação
do produto até a fase de sua validação. Com a introdução desta metodologia,
ter-se-ia uma pré-validação do produto antes da construção do primeiro
protótipo funcional e os testes físicos passariam a ser uma etapa somente de
validação e não mais de desenvolvimento, eliminando-se os ciclos de Tentativa
e Erro, Fischler (2005).
Chien-Fu, Kuo e Chih-Hsing (2005), desenvolveram um simulador
ergonômico em 3D para melhor analisar e decidir sobre a forma do interior de
um automóvel. Propõem eles que os critérios ergonômicos sejam levados em
consideração desde os primeiros estágios de um novo desenvolvimento,
resultando em uma customização essencial no projeto de um novo produto
para melhor atender as expectativas dos clientes.
O conforto oferecido por um veículo é dependente do seu projeto, da
maneira com que o veículo é operado e das expectativas e sensações dos
usuários (Griffin, 1995). Estudos de ergonomia para os painéis móveis podem
ser realizados fazendo uso da teoria e dos softwares desenvolvidos para
analisar o comportamento da movimentação de mecanismos (capô, porta,
tampa traseira,...) equipados com mola a gás ou barra de torção. Estes
softwares foram desenvolvidos para demonstrar o comportamento dinâmico da
movimentação do mecanismo na fase de desenho. No software desenvolvido
por Ko (1995) é possível o cálculo aproximado da característica de carga x
6
ângulo, velocidade, a aceleração e o tempo total de abertura de painéis móveis,
de maneira tal que o projetista opta pela melhor posição geométrica e esforço
para a localização da mola a gás ou barra de torção.
O movimento de um mecanismo está cinematicamente definido quando,
além dos deslocamentos ou trajetórias, são conhecidas as condições de
velocidade e aceleração de seus membros. No estudo analítico desses
parâmetros cinemáticos os membros são representados por planos em
movimento em relação à base (plano fixo). No caso de movimentos de
translação distinguem-se: a translação curvilínea de trajetórias arbitrárias
congruentes deslocadas paralelamente, conforme a figura 1; circular de
trajetórias circulares congruentes, conforme a figura 2; e retilínea de trajetórias
em forma de linhas retas paralelas, conforme a figura 3. Como as tangentes às
trajetórias são paralelas e as curvaturas das trajetórias são idênticas em cada
instante, todos os pontos do plano possuem a mesma condição de movimento
e, portanto, a mesma velocidade e aceleração Skarski (1980).
Figura 1 - Trajetórias arbitrárias congruentes
Fonte: (Skarski, 1980)
7
Figura 2 - Trajetórias circulares congruentes
Fonte: (Skarski, 1980)
Figura 3 - Trajetórias em forma de linhas retas paralelas
Fonte: (Skarski, 1980)
8
2. PAINÉIS BASCULANTES AUTOMOTIVOS
Painéis basculantes (PB) compõem as partes de um veículo com maior
interação com o usuário. A sua facilidade de uso e de acesso, assim como os
esforços envolvidos em sua movimentação são parte importante do projeto do
veículo. A movimentação dos painéis basculantes exige um mecanismo
composto por dobradiças que giram em torno de um pino central. É comum o
uso de duas dobradiças, com o eixo imaginário formado por estes dois
mancais, com o eixo de rotação do painel sendo movimentado. As figuras a
seguir mostram painéis basculantes de alguns veículos em produção.
Figura 4 - Toyota Yaris - Eixo imaginário das dobradiças do capô
Fonte: (Autovision, 2006)
A figura 4 indica o eixo imaginário de rotação do capô de um automóvel
da marca Toyota Yaris, à venda no mercado asiático, americano e europeu.
Com pequenas alterações de forma, o conjunto poderia representar o conceito
de movimentação do capô da maioria dos automóveis já fabricados.
9
Figura 5 - Chevrolet Lacetti - Eixo imaginário das dobradiças da tampa do porta-malas
Fonte: (Autovision, 2006)
A figura 5 indica o eixo imaginário de rotação da tampa do porta-malas
de um veiculo modelo Hatch da marca Chevrolet Lacetti, à venda no mercado
europeu. Como no caso da figura anterior, esta pode representar com
pequenas alterações de forma, a maioria desta classe de veiculos.
A figura 6, a seguir, indica o eixo imaginário de rotação da porta frontal
direita do veículo Chevrolet Lacetti, mostrado na figura 5. Portas laterais
apresentam dificuldades adicionais em seu projeto de movimentação devido à
complexidade para definir a melhor posição de ancoragem para as dobradiças.
Por ser o painel com o qual o usuário mais interage durante a vida útil do
veículo, o que requer um cuidado adicional com sua estrutura para garantir a
sua durabilidade e pela quantidade de componentes que estão agregados a
este sistema, como por exemplo, os vidros e seus mecanismos de
movimentação e os espelhos retrovisores.
10
Figura 6 - Chevrolet Lacetti - Eixo imaginário das dobradiças da porta lateral
Fonte: (Autovision, 2006)
Na figura 7 é mostrada a ancoragem da dobradiça de um capô na
estrutura da carroceria do veículo.
Figura 7 - Chevrolet Lacetti - Pontos de ancoragem da dobradiça do capô na carroceria
Fonte: (Autovision, 2006)
11
Assim como as dobradiças do capô, as dobradiças de portas e tampas
de porta-malas também são ancoradas na estrutura da carroceria.
É importante determinar a geometria de movimentação do mecanismo
de um painel basculante desde o inicio do desenvolvimento do projeto e obter
dados bem apurados sobre o comportamento dinâmico que o mesmo terá após
finalizado o projeto, para evitar modificações na posição de ancoragem das
dobradiças em suas fases avançadas. Modificações tardias têm um grande
impacto de custo e tempo no projeto devido à quantidade de peças da
estrutura afetadas.
São três as verificações relevantes que devem ser feitas na fase inicial
de projeto para garantir que não sejam necessárias alterações de grande
impacto em fases mais avançadas do mesmo ou da própria fabricação. A
ergonomia, para garantir que o usuário interaja de maneira agradável com as
dimensões do painel a ser manipulado; os requisitos legais que possam afetar
estes painéis, pois indiscutivelmente qualquer violação destes demandaria
alterações no projeto e na cinemática do movimento para verificar os esforços
que serão necessários para manipular estes painéis.
Após a discussão dos três critérios aplicáveis aos painéis basculantes,
será aqui apresentada a metodologia atual para se estudar a aplicação destes
critérios durante a fase inicial de definição de forma do veículo.
2.1. CRITÉRIOS DE ERGONOMIA
Como os usuários dos automóveis interagem com os painéis
basculantes, é necessário que se leve em consideração a ergonomia do
movimento de abertura e fechamento deles. O único argumento válido para se
penalizar a ergonomia quando do projeto de um painel basculante de um
veículo é a necessidade de atendimento de um requisito legal para a sua
homologação; desde que não haja outra proposta que possa viabilizar ambos
os requisitos.
12
O homem interage com os PB através de um manejo que, para o autor
Itiro Lida (1990), é caracterizado como manejo grosseiro. Nele os dedos têm a
função de prender, mantendo-se relativamente estáticos, enquanto os
movimentos são realizados pelo punho e braço.
A EP deve garantir que os painéis basculantes do veiculo em
desenvolvimento sejam analisados do ponto de vista ergonômico; analisando
como o usuário irá interagir com ele. Há muitos desafios que podem impactar
no sucesso de uma pesquisa conduzida pela EP. Provavelmente o maior
obstáculo é o tempo disponível para identificar um problema potencial; estudá-
lo para determinar a sua magnitude e então recomendar uma contramedida,
Shereves e Ellis (2003). Por isso a EP deve lançar mão de estudos e propostas
de sistematização de análise.
Os manequins utilizados nas verificações de interações ergonômicas do
usuário com o veículo são os manequins padronizados pela SAE e
representam uma mulher de estatura pequena e um homem de estatura
grande. O manequim 95% representa o peso e tamanho de 95% da população
masculina e o manequim 5%, representa o peso e tamanho de 5% população
feminina. Toda verificação deve levar em consideração a interação destes dois
manequins com os painéis basculantes do veículo para atender às
necessidades de ambos os sexos. Estes manequins são utilizados em diversos
estudos durante o desenvolvimento do projeto de um automóvel, desde a
acomodação do motorista sentado ao volante até o seu comportamento em
uma simulação em CAE de impacto do automóvel. Na manipulação de uma
tampa traseira, um exemplo de estudo ergonômico que aplica o uso dos
manequins é o acesso ao compartimento de carga pelo manequim de
dimensões maiores, sem que ele tenha alguma obstrução ao movimento.
Porém ao mesmo tempo deve se assegurar que o manequim menor alcance a
tampa ao executar a operação de seu fechamento.
Na figura 8 a seguir é possível visualizar a situação exemplificada:
13
Figura 8 - Acesso e alcance a tampa do porta-malas
Como podemos ver na figura 8, ao posicionar o manequim 95% e
movimentá-lo em direção ao porta-malas e ao posicionar o manequim 5% e
determinar qual a rota do alcance máximo da extensão da sua mão,
encontramos a região onde a tampa deve permanecer quando totalmente
aberta. Nesta região está assegurado o alcance e acesso irrestrito ao porta-
malas cumprindo assim este requisito de ergonomia.
14
2.2. LEGISLAÇÃO
Devido à globalização dos mercados de comercialização de veículos, as
empresas automobilísticas hoje desenvolvem veículos que abrangem mais do
que apenas um mercado. No início de um projeto é determinado o mercado
alvo para este produto e também alguns mercados potenciais. O Projeto deve
atender à legislação dos países que fazem parte da estratégia de mercado
assim como deve estar preparado para que, com pequenas alterações, possa
se adequar à legislação dos mercados potenciais.
Um exemplo é o uso de barra de impacto na parte traseira do veiculo
para atender requisitos de colisão traseira. O Brasil e os países da América
Latina não demandam a sua inclusão no veiculo, porém para os mercados da
comunidade européia sua inclusão é necessária. Por isso, ao desenvolver um
projeto que tenha este mercado como potencial será necessário prover espaço
entre o pára-choque traseiro e a estrutura do veiculo para uma possível
inclusão da barra de impacto. Desta maneira há interesse das empresas em
minimizar os investimentos necessários para adequar um veículo desenvolvido
em uma região para lançá-lo em um mercado onde surge oportunidade de
negociação.
Como requisitos legais não podem ser violados, quando, durante um
desenvolvimento, a EP depara com um problema deste tipo deve de maneira
rápida buscar alternativas para atender ao requisito legal sem demérito à
interação do usuário com o veículo.
Para painéis basculantes um item importante da legislação brasileira e
que se assemelha a de outros paises é a visibilidade: dianteira, lateral e
traseira.
Na norma expedida pelo CONTRAN (2007) estão descritos detalhes de
como proceder com a verificação para garantir a certificação do veículo para o
mercado brasileiro no que tange a visibilidade traseira. Para veículos
15
comercializados no mercado europeu a norma de visibilidade traseira que deve
ser atendida é a ECE (2005) e para o mercado americano a norma é a FMVSS
(1977). A figura 9 ilustra os limites inferior e superior da visibilidade traseira de
um veículo.
Figura 9 - Visibilidade traseira
Fonte: (Adaptada do original Vision Standards, 2006)
A figura 10 ilustra os limites inferior e superior da visibilidade dianteira de
um veículo.
Figura 10 - Visibilidade dianteira
Fonte: (Adaptada do original Vision Standards, 2006)
16
2.3. CINEMÁTICA DO MOVIMENTO
Apesar de enumerada como a terceira das verificações, a cinemática
afeta a primeira delas, a ergonomia, pois a movimentação do painel basculante
deve permitir que o usuário interaja com ele sem exercer esforços que possam
causar danos físicos a ele. As dimensões apropriadas e os esforços,
respeitando os limites máximos, permitem uma interação adequada para o
usuário.
Quando a EP recebe a superfície preliminar, deve garantir que os
painéis basculantes se movimentem, cumprindo a geometria de abertura e
fechamento, respeitando os fatores humanos que envolvem a manipulação e
permitindo uma ancoragem adequada na estrutura do veículo.
A cinemática de movimentação dos painéis deve permitir que o usuário
manuseie-os sem que os esforços necessários excedam os valores adequados
aos seres humanos. Como o interesse do trabalho se restringe à análise de
movimentação dos painéis para aceitação de propostas de estilo, fatores
associados ao travamento dos painéis não serão nele considerados. Ele se
concentrará em garantir que a geometria de rotação de fechamento e abertura
do painel basculante permita o engate do mecanismo de travamento no seu
melhor ângulo de ataque.
17
3. METODOLOGIA DE ANÁLISE ATUAL
O Departamento de Estilo durante seu processo de criação para o tema
de um veículo passa pelas etapas apresentadas na figura 11.
Figura 11 – Fases de escolha do tema do Departamento de Estilo
Os artistas criam aproximadamente 9 croquis de suas idéias para estilo
do veículo dentro da proposta de mercado solicitada pelo projeto em questão.
Através de avaliações feitas pelos executivos da empresa são escolhidos
apenas 6 croquis, que serão modelados em CAD para uma avaliação
posterior. Após avaliação dos 6 modelos de CAD apenas 3 modelos são
escolhidos para que sejam construídos modelos físicos em escala natural.
Estes modelos são submetidos a uma clínica composta por clientes que
possuem o perfil consumidor para o produto em análise. Nesta clínica é eleito o
tema vencedor que será desenvolvido até a implementação do projeto e o
lançamento do veículo.
18
Ao receber do DE os modelos em CAD das propostas de forma do
veiculo em desenvolvimento a EP desenha secções e a partir delas pode
executar as verificações necessárias de ancoragem de um painel basculante. A
superfície recebida é examinada no sistema de referência tridimensional X, Y e
Z de posicionamento do veículo, onde X é o comprimento do veículo, Y é a
largura e Z a altura. A largura Y tem o seu valor no centro do veículo e se
atribui valores negativos de Y para o lado do motorista e valores positivos de Y
para o lado do passageiro. Na figura 12 está representado o sistema de
referência em que o veículo é desenhado.
Figura 12 - Sistema de referência tridimensional do veículo
Fonte: (Adaptada do original Vision Standards, 2006)
Na figura 13 encontramos um exemplo de secção executada em um
modelo recebido do DE.
19
Figura 13 - Vista traseira e secção B -B
Podemos ver representada na figura 13 a vista traseira da informação
recebida do DE. Nas vistas são feitas secções como a secção B-B, onde se
define qual será o desenho dos painéis da estrutura do veículo.
20
Nessa análise estática são feitas apenas secções como a secção B-B
mostrada na figura 13, que permite verificar se há viabilidade de se construir a
estrutura do painel. Também se define baseado nas secções da estrutura,
onde será possível ancorar o braço da dobradiça, determinando assim um
centro de rotação e a geometria de abertura circular, porém apenas em 2D em
forma de secção. As secções não proporcionam nenhuma análise dinâmica
devido à ausência no modelo de CAD de informação de peso dos
componentes e a localização do centro de gravidade (CG) do painel
basculante.
Para executar a análise estática de apenas um dos painéis de um dos
modelos recebidos do DE, a EP despende em torno de 20 horas de trabalho.
Mais importante do que apenas diminuir este tempo de verificação dos painéis
basculantes de um veículo é melhorar a qualidade de resposta da análise
nesta fase inicial do projeto, para garantir que ao finalizar a avaliação de todas
as propostas enviadas pelo Departamento de Estilo qualquer um dos temas
que venha a ser o vencedor para desenho final do veículo atenda os requisitos
da Engenharia de Produto.
21
4. METODOLOGIA DE ANÁLISE PROPOSTA
A metodologia a ser proposta envolve o estudo da geometria de
movimentação dos painéis basculantes, assim como a dinâmica necessária
para análise das forças associadas à sua movimentação. Deve-se lembrar que
todo o projeto ora desenvolvido restringe-se à análise de viabilidade e
adequação das propostas recebidas do Departamento de Estilo, ao início da
análise de alternativas de um novo projeto de um veículo. O projeto detalhado
das partes componentes dos vários painéis móveis do veículo, assim como de
suas demais partes, será feito para uma única proposta dentre as
apresentadas, que é o tema escolhido para desenvolver o projeto.
4.1. DADOS DO PAINEL
O modelo em CAD que o estúdio envia para a engenharia de produto ao
inicio de um programa é uma representação digital grosseira proveniente de
uma ilustração proposta por um artista para o veículo. Esta superfície é uma
casca sem espessura que representa a forma proposta para o veículo. Nas
figuras 14 e 15 podemos ver duas propostas diferentes do DE para o mesmo
veículo em desenvolvimento. Deste modelo já é possível extrair as dimensões
do veiculo e nele podemos também determinar as linhas de divisão entre os
vários painéis, obtendo assim informações do tamanho aproximado das peças.
Com estas informações podemos estimar o peso do painel, buscando
referência em produtos já em produção e o peso dos componentes associados
a este painel, como fechadura, acabamento interno e outros.
22
Figura 14 – Modelo em CAD fornecido pelo DE - proposta 1
Figura 15 - Modelo em CAD fornecido pelo DE - proposta 2
23
Estes modelos em CAD são como jóias a serem lapidadas, ou seja,
suas linhas e superfícies serão gradativamente suavizadas e harmonizadas
sempre com interação ente o DE e a EP para garantir que o produto seja
manufaturável e atenda aos requisitos de engenharia.
A importância de ter uma ferramenta de simulação para este momento
do projeto, no estudo de viabilidade, utilizando como informação apenas a
superfície casca do veículo, é possibilitar a avaliação dinâmica das diversas
propostas em um curto intervalo de tempo, garantindo que o tema aprovado
seja realizável.
4.2. MODELO DE CÁLCULO
Os painéis basculantes se movem de tal forma que os pontos materiais
que formam o corpo rígido se deslocam em movimento plano, em planos
paralelos ao longo de circunferências, cujos centros estão sobre uma mesma
reta fixa. Todos os pontos materiais descrevem circunferências concêntricas.
Como essa reta, chamada de eixo de rotação, intercepta o corpo rígido, os
pontos materiais situados sobre ela possuem velocidade e aceleração nulas.
O modelo em desenvolvimento deve ser analisado em no mínimo três
secções perpendiculares ao eixo de rotação do PB. Uma secção central, uma
secção na região aproximada onde será ancorada a dobradiça e uma secção
no ponto mais extremo do painel basculante. Com o estudo destas secções
será possível determinar o centro de rotação que permite ao PB girar sem
interferir com as superfícies ao seu redor.
A partir deste centro e com os valores de massa estimados será
possível movimentar o PB e obter o centro de gravidade na posição em que o
usuário exercerá esforço para movimentar o PB. Isto ocorre quando ele
movimenta o PB desde a posição fechado até a posição angular onde o
sistema de amortecimento começa a atuar.
24
Na figura 16 é possível verificar esta situação para a tampa do porta-
malas de um veículo modelo sedan.
Figura 16 - Movimento de abertura do porta-malas de um veículo modelo sedan
Para iniciar o movimento de abertura da tampa, o usuário precisa
exercer uma força maior que a força do peso da tampa e elevar a tampa até a
posição em que o sistema de amortecimento começa a atuar.
Na figura 17 é possível verificar a mesma situação, porém no capô do
veículo.
Figura 17 - Movimento de abertura do capô de um veículo
Com as posições angulares, posições dos centros de gravidades e a
massa da peça definidos é possível calcular a força necessária para equilibrar
25
e movimentar o sistema até estas posições. A figura 18 ilustra as grandezas
envolvidas neste cálculo.
Figura 18 - Grandezas envolvidas
Para que a tampa permaneça na posição aberta, o momento aplicado
pela força Fy multiplicada pela distância entre a sua linha de ação e o centro de
rotação deve ser igual ao momento obtido pelo produto do peso da tampa pela
distância entre o centro de gravidade e o centro de rotação, conforme a
equação (1).
APBF
y
×=×
(1)
26
Porém, para determinar a aceleração angular e realizar o estudo de
cinemática desta tampa será necessário decompor a força F
y
de acordo com a
posição angular que se deseja estudar (θ) e assim determinar a aceleração
tangencial aplicando a 2ª lei de Newton, eq. (2).
atmsenF
y
×=×
θ
(2)
A rotação de um corpo rígido em torno de um eixo fixo pode ser definida
pelo movimento de uma placa em um plano de referência perpendicular ao seu
eixo de rotação. Escolhamos o plano xy como o plano de referência e
suponhamos que coincida com o plano da figura, com o eixo z saindo do papel,
conforme a figura 19.
Figura 19 - Rotação de um corpo rígido
Fonte: (Beer, 1991)
27
Como os vetores k e r são perpendiculares entre si, o valor algébrico da
velocidade é
ω
r
v
=
(3)
Escrevemos a aceleração do ponto P como mostrado na figura 20.
Figura 20 - Aceleração do ponto P
Fonte: (Beer, 1991)
Decompondo a aceleração nas direções tangencial e normal,
escrevemos.
α
ra
t
=
(4)
2
ω
ra
n
=
(5)
Neste caso o movimento é de rotação e uniformemente acelerado. Nele
a aceleração angular é constante eq. (6).
cte
d
t
d
==
α
ω
(6)
A velocidade angular ω do ponto material é obtida pela integração da
eq. (7).
∫∫
=
t
t
dtd
00
αω
ω
ω
(7)
28
t
α
ω
ω
=−
0
(8)
t
α
ω
ω
+=
0
(9)
Como
d
t
d
θ
ω
=
(10)
Podemos escrever então
t
d
t
d
αω
θ
+=
0
(11)
Chamando-se de θ
0
o valor inicial de θ e integrando, temos:
∫∫
+=
θ
θ
αωθ
0
0
0
)(
t
dttd
(12)
2
00
2
1
tt
αωθθ
+=−
(13)
2
00
2
1
tt
αωθθ
++=
(14)
Utilizando a regra de derivação em cadeia, pois
dt
d
θ
ω
=
(15)
temos
θ
ω
ω
θ
θ
ω
θ
ω
α
d
d
d
t
d
d
d
d
d
===
(16)
então
θ
α
ω
ω
dd =
(17)
Integrando-se ambos os membros da eq.(18).
∫∫
=
θ
θ
ω
ω
θαωω
00
dd
(18)
)()(
2
1
0
2
0
2
θθαωω
−=−
(19)
)(2
0
2
0
2
θθαωω
−+=
(20)
29
As eq. (9), (14) e (20), relacionam velocidade angular, coordenada
angular e tempo.
O modelo aqui apresentado será aplicado em conjunto com o software
para a determinação da força necessária para a movimentação dos painéis.
4.3. MODELO DE SIMULAÇÃO
A simulação de movimento dos painéis será feita com o software
Unigraphics-Motion. Nele, um mecanismo é uma entidade virtual separada
que pode ser descrita como um conjunto de objetos que compõe o chamado
“Scenario for Motion” (SM), aplicativo CAE usado para modelar e analisar o
movimento de peças dentro de um mecanismo. O solver ADAMS é um
produto agregado ao “Scenario for Motion”, sendo o processador para a
solução dos movimentos gerados no SM (Unigraphics, 2005).
O SM é gerado em três passos:
Passo 1 - Criar acoplamento
Todas as peças em movimento devem ser associadas a apenas uma
conexão, que neste estudo é o eixo de rotação determinado no modelo
algébrico. Será necessário associar uma massa ao acoplamento quando
reações de forças forem de interesse no estudo.
Passo 2 - Criar Juntas
A junta é quem define como o mecanismo irá se mover. Antes de sua
criação os acoplamentos dentro do mecanismo não estão vinculados,
flutuando no espaço com seis graus de liberdade; translação e rotação nos
três eixos coordenados. O software oferece quatorze tipos diferentes de juntas
divididas em duas categorias: comuns, de revolução, deslizamento e universal
e juntas especiais, envolvendo dois deslizamentos; engrenamento com
rotações diferentes entre as engrenagens e outros.
30
Passo 3 - Definir a Energia a ser aplicada ao movimento
Articulation é a forma de movimento baseada em deslocamentos
angulares onde deve ser especificado o tamanho do passo (rotação) e o
número de passos a serem dados e é o recurso a ser usado para a simulação
aqui desejada.
Após cumprir os três passos, a EP terá à sua disposição o recurso
visual que lhe permitirá verificar o comportamento do painel em estudo. Pode-
se assim verificar a abertura máxima do painel e sua eventual interferência
com a carroceria, respeitadas as folgas ideais de projeto, e desta maneira,
verificar se as linhas de contorno dos painéis necessitam ser alteradas para
melhor atender ao movimento desejado.
Além do recurso visual disponível para análise, um recurso importante
é a função spreadsheet. Cada vez que um mecanismo é articulado uma tabela
de dados é gerada pelo software e armazenada para análise posterior. Além
de informativa, a planilha interage com o modelo podendo mudar a posição do
mecanismo ao ser editado. Este recurso permite ao engenheiro estudar
melhorias no posicionamento do eixo de rotação do mecanismo de maneira
interativa e ágil.
O processo de análise tem inicio com as definições dos parâmetros
básicos necessários, peso, centro de gravidade, dimensões do painel etc. e
pode ser esquematizado de acordo com a figura 21.
Figura 21: Esquema do processo de análise
31
O passo seguinte à definição dos parâmetros iniciais é estabelecer
geometricamente a partir da superfície os possíveis centros de giro deste
painel. Com as informações de peso dos componentes do PB de veículo
similar ao veículo em estudo prepara-se o modelo de CAD para que ao fazer a
movimentação do painel possa se determinar o CG da tampa. Com estas
informações à mão já é possível calcular os esforços fazendo uso do modelo
algébrico. O passo final é simular o modelo fazendo uso do recurso
computacional disponível.
Torna-se necessário frisar que os cálculos feitos pelo modelo algébrico e
pelo software devem, obrigatoriamente, levar os resultados similares. O uso do
software torna-se mais interessante, pois permite tanto o cálculo dos esforços
quanto a alteração rápida de formas e posições e a verificação da conveniência
das alterações processadas.
4.4. ESTUDO OPERACIONAL – TOMADA DE
DECISÃO
O estudo operacional consiste na elaboração de um modelo do sistema
real existente para análise e compreensão do seu comportamento. Com este
modelo diferentes propostas podem ser estudadas e dentre elas será escolhida
a mais interessante.
Segundo Fritz (1993), a estrutura de um modelo para tomada de decisão
foi formalizada por Simon em 1960 e consiste em três fases:
1. Inteligência - identificar um assunto que demanda um modelo de
decisão.
2. Escopo - modelar as possíveis soluções para o assunto em questão.
3. Escolha - Analisar as soluções modeladas e decidir por uma delas.
32
O modelo de Simon implica em ser a tomada de decisão um ato
racional, onde as escolhas são feitas baseadas nas considerações das
consequências e com base nas informações apuradas sobre o assunto tratado.
A decisão prematura por uma proposta sem confrontá-la com outras opções
limita o que o sistema em estudo possa oferecer de melhor, seja em
desempenho ou custo ou até em oportunidades de inovações para o sistema.
Analisando o problema segundo a proposta de Simon, deve-se definir um
modelo de decisão, pois os sistemas de painéis basculantes apresentam várias
possibilidades de posições para serem ancorados na carroceria. Seguindo o
processo de análise descrito neste capítulo é possível determinar mais de uma
solução para ancorar um painel basculante e posicionar o eixo de rotação do
mecanismo. Ao modelar as possíveis posições têm-se em mãos informações
apuradas que propiciam uma tomada de decisão baseada nas considerações
das consequências do movimento de um painel basculante.
Aperfeiçoar a tarefa de análise das propostas do DE permite uma
resposta mais rápida da Engenharia de Produto e uma reação mais rápida em
caso de alguma modificação ter que ser implementada.
A robustez das decisões tomadas nesta fase inicial de projeto beneficia
a fase posterior de projeto onde a melhor solução é submetida a um exame
mais profundo, que demanda construções de modelos matemáticos mais
apurados e até a construção de protótipos.
33
5. ESTUDO DE CASO – AUTOMÓVEL MODELO SEDAN
O estudo descrito a seguir se baseia na verificação efetuada em um
arquivo de superfícies em CAD de uma tampa de porta malas de um veículo
modelo sedan recebido do DE. Assim que a informação é recebida pela EP ela
deve avaliar a superfície para verificar se ela atende aos pré-requisitos para
que o sistema cumpra a sua função.
Serão apresentadas as duas alternativas desenvolvidas no capítulo 4; o
modelo geométrico, aplicável quando houver o interesse de apenas calcular
valores de esforços associados aos painéis basculantes e o modelo de
simulação. Para a simulação será utilizado o software Unigraphics Motion,
porém recursos computacionais semelhantes a ele poderão ser aplicados
segundo o processo desenvolvido.
5.1. PREPARAÇÃO PARA A ANÁLISE
A primeira verificação a ser feita é a de visibilidade traseira através do
retrovisor interno do veículo. Este é um item legal exigido pelo CONTRAN,
porém os campos de visão proporcionados pelos espelhos retrovisores
externos podem cumprir esta exigência. Por ouro lado, a obstrução da
visibilidade na região traseira é um item que causa insatisfação ao cliente e por
isso ela é considerada como um item crítico se violado pela superfície em
estudo.
A figura 22 mostra a verificação de visibilidade traseira para um veículo
modelo sedan.
34
Figura 22 - Verificação de visibilidade traseira inferior
A verificação de visibilidade traseira é feita considerando o
posicionamento do espelho retrovisor interno no pára-brisa do veículo e o
ângulo de visão do manequim posicionado no banco do motorista. A partir
destas informações determina-se a linha que limita a altura máxima de
obstrução da área envidraçada da parte traseira do veículo executando a
medição conforme descreve a legislação.
Com este requisito atendido parte-se para a verificação da melhor posição
para o centro de rotação da tampa, visto que a posição máxima em altura de
ancoragem do sistema de dobradiça da tampa já foi definida ao se definir o
limite em altura de obstrução da área envidraçada.
Conforme mencionando anteriormente, serão necessárias três secções
para investigar a melhor posição para o centro de rotação. Na figura 23 é
possível visualizar a localização destas três secções.
35
Figura 23 - Secções necessárias
A tampa de um porta-malas quando manufaturada em aço é composta
por duas peças, o painel interno, que estrutura a peça e permite a ancoragem
de outros itens que são fixados na tampa e o painel externo, que é
basicamente a superfície recebida do DE. A secção no plano paralelo ao plano
XZ passando pela coordenada Y- 440 foi definida de acordo com a curvatura
do painel externo, em uma região onde será possível ancorar o braço da
dobradiça. Devido à simetria longitudinal, é possível definir a geometria da
tampa com apenas um dos lados do veículo. Neste caso estamos optando pelo
lado esquerdo, que de acordo com o sistema de referência XYZ está localizado
na posição –Y.
36
De posse destas três secções devem ser desenhadas em cada uma delas
uma linha paralela à do vidro a 10 mm de distância do vidro e que deverá se
estender até cruzar a superfície do painel externo da tampa. Por estes três
pontos passa a curva que determina o contorno do painel externo nesta região.
Uma outra linha paralela à do vidro deve ser desenhada, porém a 20 mm de
distância. Esta linha será o limite máximo de proximidade da tampa ao vidro,
quando a tampa estiver totalmente aberta. Os valores de 10 mm e 20 mm de
folga são valores recomendados por práticas anteriores que demonstraram que
não ocorre interferência da tampa no vidro com as possíveis variações do
processo de montagem do veículo.
Dos três pontos definidos anteriormente, aquele que está na secção que
passa no ponto mais externo da tampa, que aqui chamaremos de ponto 3, é o
que determina o limite em X para a posição do centro de rotação. A figura 24
apresenta estas construções.
Figura 24 - Geometria e abertura da Tampa de um veículo modelo Sedan.
37
Ao girar a tampa, duas análises devem ser feitas. A primeira, já
mencionada anteriormente, diz respeito à distância que deve ser guardada do
vidro e que neste estudo é indicada como 20 mm. A segunda se relaciona à
posição em que a tampa permanece totalmente aberta. Ela deve estar em uma
posição que permita ao manequim SAE 5% alcançar a tampa e que não
obstrua a passagem do manequim SAE 95% quando este se curvar em direção
ao compartimento de carga. Esta região é mostrada na figura 25.
Figura 25 - Alcance e acesso ao porta-malas
38
Ao posicionar o sistema de referência tridimensional X, Y e Z no centro
de rotação, o eixo Y passará a indicar a altura do veículo e o eixo Z a largura
do mesmo. Esta inversão é necessária, pois o software executa a operação de
rotação no primeiro quadrante X, Y e a direção de XÆY como positiva em
graus. No estudo de caso em andamento serão simuladas três posições para o
centro de rotação, como pode ser observado na figura 26.
Figura 26 - 3 Posições do centro de rotação
A posição número 1 é o centro de rotação que hoje está no veículo já
em produção e que será chamado de modelo real. O estudo do modelo real
servirá para analisar o modelo de CAE para simulação. Os valores medidos no
veículo serão comparados com os valores calculados usando o modelo
algébrico e com o modelo simulado no software Unigraphics-Motion.
As posições 2 e 3 foram escolhidas para este estudo para analisar as
implicações no comportamento da movimentação da tampa variando o centro
da posição 1 no sentido de +X e no sentido de –X.
39
É comum que a movimentação da tampa do porta-malas de um
automóvel seja amortecida com mola helicoidal a partir dos 15° de abertura,
como mostrado na figura 27, com amortecedor a gás, como mostrado na figura
28 ou com barras de torção, como mostrado na figura 29. Por isso é importante
averiguar qual será o valor de esforço a ser realizado pelo usuário até a
posição angular de 15°, pois apenas a partir desta posição o usuário passará a
ter o auxilio do sistema de amortecimento. Não há valor normalizado e, por
esta razão, um valor é proposto pela Engenharia de Produto após consolidar
informações extraídas de avaliações feitas por grupo misto de homens e
mulheres de diferentes estaturas e idade, de veículos produzidos pela empresa
e pelos concorrentes. Este valor deve representar o valor aproximado do
esforço de abertura de tampa de porta-malas de veículos sedan que agradou à
maioria das pessoas que participaram da avaliação.
Figura 27 - Palio - mola helicoidal
Fonte: (Autovision, 2006)
40
Figura 28 - Omega - Amortecedor à gás
Fonte: (Autovision, 2006)
Figura 29 - Corolla – barras de torção
Fonte: (Autovision, 2006)
41
Para a aplicação do modelo algébrico serão utilizadas as informações
sobre as várias peças que compõe o sistema desta tampa obtidas no sistema
CAD. A alternativa para abrir mão das informações obtidas pelo CAD leva a um
extenso trabalho e é uma das razões que inviabilizava a análise de todas as
propostas recebidas do Departamento de Estilo.
As peças feitas apenas em aço, como os painéis interno, externo e o
tubo da dobradiça, têm a sua massa real calculadas pelo software, a partir da
informação da densidade do material. Peças como fechadura e cilindro foram
simuladas por sólidos com volumes equivalentes e com densidades calculadas
de forma a resultar na massa real das peças. A massa total do sistema é de
11,5 Kg. As peças e suas respectivas massas estão mostradas na figura 30.
Figura 30 - Massas do modelo real
Deste modelo podemos extrair as dimensões necessárias para fazer o
cálculo usando o modelo algébrico. Ao girar a tampa na posição de 15°
42
obtemos o CG da tampa e dos componentes nesta posição. Estes valores são
calculados pelo software. Então é possível determinar a distância do CG ao
centro de rotação e a distância do centro de rotação ao local onde será
aplicada a força para equilibrar a tampa aberta.
Na figura 31 estão ilustradas as dimensões, em milímetros, para calcular
a força necessária para equilibrar a tampa na posição angular de 15°.
Figura 31 - Dimensões do modelo real
As outras duas posições de centro de rotação que serão estudadas são
mostradas nas figuras 32 e 33.
Para estes dois outros estudos serão utilizadas as superfícies externas
do veículo fornecidas pelo DE e a massa de 11,5 kg igual à do modelo real. A
superfície terá uma espessura tal que represente um volume que resulte no
peso conforme o modelo real, como se o painel externo e interno fossem uma
peça única maciça. Isto é possível porque o valor da massa da tampa está
43
distribuído regularmente na sua geometria, não se alterando significativamente
a posição do CG.
As peças como fechadura, cilindro, os tubos da dobradiça, parafusos e
outros serão representados pelos mesmos modelos usados no modelo real.
Figura 32 - Dimensões do modelo 2
Figura 33 - Dimensões do modelo 3
44
5.2. ESFORÇOS MEDIDOS
Para efeito de validação da simulação foram realizados medidas no
veículo ora em produção que representa a tampa movimentada com o centro
de rotação na posição 1. Na tabela 1 estão indicados os valores da força
aplicada na posição de 15˚ de abertura da tampa.
Para efetuar as medições foram removidas as molas helicoidais que
servem para amortecer o movimento e foi utilizado um dinamômetro medindo a
força em um vetor tangencial ao movimento circular que a tampa executa. Os
valores foram medidos na unidade kilograma-força (Kgf), e convertidos para
Newton(N).
45
5.3. VERIFICAÇÔES DE ERGONOMIA
Há diversas posições que podem ser estudadas como centro de rotação
da tampa, porém não podemos nos esquecer que a geometria de rotação deve
atender alguns parâmetros para poder ser considerado como viável.
Na figura 34 podemos ver o ângulo da abertura da tampa e o critério de
ergonomia de acesso ao porta-malas para as três posições simuladas.
Figura 34 - Angulo de abertura das propostas estudadas
Das três posições de rotação que serão simuladas apenas a posição 2
atende ao critério de ergonomia de acesso ao porta-malas e alcance da tampa.
A posição 1 e 2 não o atendem, porém a posição 1 faz parte deste estudo por
ser o modelo real, já em produção, que servirá para aferir o modelo de
simulação. E a posição 3 servirá para estabelecer uma comparação entre as
propostas estudadas.
46
Cada posição de rotação resulta em um ângulo total de abertura da
tampa diferente, sendo eles: 80° para a posição 1, 95° para a posição 2 e 80°
para a posição 3. As três posições atendem o requisito legal de visibilidade
traseira.
Apenas a posição 2 atende ao critério de folga mínima de 20mm com o
vidro, a posição 1 tem 15mm de folga e a posição 3 apenas 9mm.
Feitas estas análises, e de posse dos valores necessários para calcular
a força mínima para equilibrar o peso da tampa, podemos aplicar o modelo
algébrico para fazer a primeira verificação do valor de esforço de abertura, que
é também um critério de ergonomia.
Os valores neste estudo serão calculados algebricamente em conjunto
com o Unigraphics-Motion. Isto permite averiguar várias, ou todas, as
superfícies recebidas do DE e calcular um maior número de posições de
rotação do painel em tempo reduzido.
5.4. APLICAÇÃO DO MODELO ALGÉBRICO
Com as informações de posição do CG, dimensões e ângulos de
aplicação de força, mostradas nas figuras 31, 32 e 33 e fazendo uso da
equação (1) apresentada no capitulo 5, é possível calcular os valores
mostrados na tabela 2.
47
Nesta tabela 2 podemos ler os valores de F calculados como
necessários para equilibrar a força P que atua no CG da tampa.
O valor da força no modelo real é 9% menor que o valor medido no
veículo. Esta diferença pode ser atribuída à força de atrito no mancal de apoio
do centro de rotação da tampa, que aumenta o esforço realizado ao abrir a
tampa. A maioria dos veículos modelos sedan fabricados usam mancais de
deslizamentos de um metal contra o outro, permitindo liberdade de movimento.
O resultado do cálculo algébrico é usado de base de comparação para
os valores encontrados na simulação. Nela não será introduzida nenhuma
restrição que represente o valor da força de atrito no mancal.
48
5.5. APLICAÇÃO DO MODELO DE SIMULAÇÃO
Os procedimentos de simulação seguem a seqüência solicitada pelo
software utilizado para realizar este estudo. Primeiramente será criado o
acoplamento, onde serão associadas todas as peças em movimento, em
seguida será definida a junta de movimentação do painel que neste caso é a
junta de revolução, por ser uma movimentação onde a trajetória é circular.
Finalmente devem se fornecer as informações de passo e quantidades de
passos que serão realizados pelo painel. Após cumprir as três etapas, é
possível simular o comportamento da movimentação do painel e obter os
resultados em forma de gráfico.
Todas as peças do modelo que podem ser movimentadas foram
associadas ao seu eixo de rotação, criando assim o acoplamento necessário
para fazer a simulação, conforme figura 35.
Figura 35 - Acoplamento
49
A junta de revolução foi definida para mover as peça com o passo de 1°
e curso total de 15°, conforme figuras 36 e 37.
Figura 36 - Junta de revolução
Figura 37 - Movimentação
Após simular a movimentação é possível gerar com o software o
gráfico que exprime a força aplicada para a abertura da tampa em função da
sua posição angular, conforme figura 38.
50
Figura 38 - Gerar gráfico
Para os três modelos simulados no Unigraphics – Motion, encontramos
os resultados expostos no gráfico 1.
Gráfico 1 - Curvas resultado das 3 simulações
51
Neste gráfico 1 temos
as três curvas que representam o valor da força
peso atuando no CG da tampa de acordo com a posição angular da tampa e
para cada uma das posições de centro de rotação estudada.
Na tabela 3, mostrada abaixo, estão os valores da força F necessária
para equilibrar a força P que atua no CG da tampa quando a tampa está aberta
na posição angular de 15˚. Estes valores foram calculados com os valores
mostrados no gráfico 1 fazendo uso da equação 1 e as dimensões mostradas
nas figuras 31, 32 e 33 apresentadas no capitulo 5.
Os valores mostrados na tabela 3, mais os resultados das analises
realizadas no modelo são as informações necessárias para compor a matriz
que evidenciará qual das propostas é a que atende os requisitos de
engenharia.
52
5.6. MATRIZ PARA TOMADA DE DECISÃO
O que podemos ver na figura 39 é uma matriz utilizada para a tomada
de decisão. Nela estão descritas as três simulações realizadas neste estudo e
as considerações feitas a partir da análise dos resultados.
Neste estudo o valor de esforço de abertura proposto pela Engenharia
de Produto é menor ou igual a 50N. Portanto qualquer valor superior a esse
será considerado inadequado e receberá a cor vermelha na matriz de decisão.
Figura 39 - Matriz para tomada de decisão
53
O modelo utilizado na simulação 1 não representa uma boa solução
para movimentação de painel. Duas das três importantes verificações:
ergonomia e geometria do movimento, não satisfazem os requisitos de
engenharia, como pode ser visto na figura 39.
O modelo utilizado na simulação 3 apresenta um valor de esforço de
abertura da tampa inferior aos outros dois modelos apresentados, porém
também não atende o valor máximo de 50N proposto no capítulo 5. Para
reduzir o valor do esforço de abertura desta proposta poderia ser seguida a
sistemática que será apresentada para o modelo 2. Porém a sua geometria de
movimentação também não representa uma boa solução ergonômica, pois não
permite o acesso e alcance ao porta-malas como foi mostrado na figura 34, do
capitulo 5. Portanto trabalhar em alguma proposta para diminuir o esforço de
abertura ate o valor desejado não tornaria o modelo 3 uma proposta que
atenderia a todos os itens significativos encontrados na matriz de decisão.
O modelo utilizado na simulação 2 é a proposta que nos permite
implementar melhorias objetivando atender todos os itens significativos
encontrados na matriz de decisão.
Apresentada a matriz encontrada na figura 39 ao grupo gerencial do
projeto, eles podem decidir pela alteração ou manutenção da proposta na fase
inicial de desenvolvimento do produto, minimizando problemas que possam ser
gerados em fases posteriores, quando o veículo estiver em fase final de projeto
ou mesmo em produção.
Neste estudo a decisão tomada baseada na matriz é tornar o modelo 2
a solução geométrica para o veículo em estudo. Para tanto basta que o valor
de esforço de abertura da tampa atenda ao valor mínimo de 50N. Para que isto
aconteça será necessário elaborar uma proposta de melhorias que reduza o
valor atual encontrado de 68,5 N.
54
6. MELHORIAS PARA O MODELO 2
Analisando a matriz apresentada na figura 38, o modelo 2 pode se
tornar a solução geométrica para o veículo em estudo, desde que o valor de
esforço de abertura da tampa atenda o valor mínimo de 50N.
Uma proposta que reduz o valor do esforço de abertura no modelo 2 é
movimentar o CG da tampa na direção -X diminuindo assim o esforço solicitado
para equilibrar a tampa na posição de 15°, conforme a figura 18. Para que o
CG da tampa se mova na direção desejada é necessário rever a distribuição de
peso no sistema tampa do porta-malas.
Os painéis, interno e externo que compõe a tampa representam 66%
do peso do sistema deste estudo. Seu peso é de 7,61 kg como ilustrado na na
figura 30 do capitulo 5. Deve-se rever o desenho destes dois painéis
estruturando mais a região de ancoragem do braço da dobradiça no painel
interno, região esta mais solicitada estruturalmente, e aliviar a concentração de
peso na região próxima a posição onde esta a fechadura, onde ocorre o
manuseio da tampa pelo usuário do veículo.
A figura 40 ilustra o painel externo e interno da tampa de um carro
modelo sedan.
55
Figura 40 - Painel externo e interno da tampa
A vista explodida da figura 40 mostra os painéis de uma tampa de porta-
malas de um veiculo modelo sedan que representa a maioria dos automóveis
já fabricados. Nela podemos ver o painel externo, que é a peça aparente do
carro desenhada pelo Departamento de Estilo. O painel interno, que é a peça
estrutural da tampa, é desenhado pela Engenharia de Produto e nele são
soldados reforços nas regiões de ancoragem do braço da dobradiça e de
fixação da fechadura, pois estas regiões de ancoragem são as regiões de
maior solicitação estrutural da tampa.
Na figura 41 são mostradas secções nos planos paralelos ao plano XZ
passando pelas coordenadas Y0, Y150 e Y350.
56
Figura 41 - Secções da estrutura dos painéis
Nas secções mostradas na figura 41 podemos ver o conjunto do painel
externo mais o interno. Que é montado com um processo de rebordar onde as
bordas do painel externo são dobradas sobre o painel interno em todo o
contorno. A região assinalada com a letra b é a região onde devemos alterar o
desenho do painel interno de forma a diminuir o peso do painel nesta região,
desta maneira o CG da tampa se movimenta na direção de –X. Um cuidado
que se deve tomar ao alterar a forma do painel na região b, é manter a região
na largura entre a secção Y-65 e Y65 com a rigidez necessária para suportar a
solicitação de esforço de travamento da fechadura, pois nesta região é fixada a
fechadura, com aproximadamente 130 mm de largura. Na extensão da largura
a partir de Y-65 e Y65 podemos desenhar a secção semelhante à secção
Y350, e fazer aberturas no painel para eliminar peso, como mostrado na região
assinalada com a letra c. Ao fazer aberturas no painel interno deve se estender
uma aba ate o painel externo, que será colada com material adesivo estrutural.
Desta maneira se garante que o painel externo não fique suscetível a
57
amassamentos provocados por qualquer carga aplicada na superfície externa
da tampa. Assim poderemos reduzir massa sem comprometer a estrutura da
tampa nesta região.
A região assinalada com a letra a, na figura 41, é a região onde
devemos estruturar o conjunto dos painéis externo e interno, pois nela estão
ancorados os dois braços da dobradiça da tampa. Ao estruturar esta região
estaremos concentrando mais peso na região a do que na região b, isto resulta
na mudança do CG na direção –X.
Em conjunto com a proposta de reestruturação dos painéis interno e
externo da tampa no modelo 2 devemos considerar a proposta de mover o
ponto de ancoragem do braço da dobradiça na tampa, aproximando-o no
sentido de –X, até onde o desenho do veiculo permitir a ancoragem do braço.
O centro de rotação permanecendo na posição estudada inicialmente, apenas
alterando-se o ponto de ancoragem e a forma e dimensões do braço da
dobradiça. O peso do braço da dobradiça, que nesse estudo é de 1,5 kg/peça,
representa 26% do total do peso total do sistema tampa do porta-malas,
conforme mostrado no capitulo 5, na figura 30.
Na figura 42 pode-se observar que a região de ancoragem do braço da
dobradiça na tampa foi deslocada no sentido – X e qual é a sua nova forma.
58
Figura 42 - Braço da dobradiça deslocado no sentido -X
O braço da dobradiça utilizado na primeira simulação do modelo 2 é o
braço mostrado na cor vermelha na figura 42. Na cor verde está representada
a nova posição de ancoragem, na região assinalada pela letra d e onde deve
se modificar o painel interno para melhor estruturar a região.
Com a nova proposta de distribuição de peso na tampa, mantendo a
posição de centro de rotação, ao simular novamente a geometria de
movimentação foi encontrado uma nova posição de CG conforme mostrado na
figura 43.
59
Figura 43 - Nova posição do CG
Na figura 43, o CG indicado com a letra f, corresponde à posição
encontrada na primeira simulação feita para o modelo 2. O CG na posição
indicada pela letra g é a nova posição do centro de gravidade da tampa após
ser modificada a distribuição de peso de acordo com as propostas descritas
neste capitulo. A posição de centro de rotação foi mantida.
Ao simular novamente a movimentação do modelo 2, com as
modificações propostas, encontramos os valores mostrados no gráfico 2
ilustrado a seguir.
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Gráfico 2 - Simulações do modelo 2.
No gráfico 2 estão ilustradas as curvas resultantes da simulação
apresentada anteriormente no capitulo 6 e que não atendia ao valor mínimo de
esforço de abertura da tampa, conforme mostrado na matriz da figura 38 do
capitulo 6. É mostrada também a simulação do modelo 2 já com a proposta de
redistribuição de peso dos painéis estruturais.
Na curva da simulação do modelo 2 com as modificações
implementadas, o valor da força peso atuando no CG da tampa na posição
angular de 15° é de 36,79 N. Portanto a força F que o usuário deverá exercer
para equilibrar esta força peso que atua no CG da tampa é de 48,5 N. Assim o
modelo 2 com as propostas de melhorias passa a atender ao valor
recomendado de esforço máximo de abertura da tampa.
Em caso desta forma do veículo proposta pelo DE ser escolhida para
dar continuidade ao projeto, é uma forma realizável do ponto de vista da
Engenharia de Produto.
61
7. CONCLUSÃO
A metodologia para determinar a geometria de rotação de painéis
basculante aqui apresentada associada à utilização do recurso da simulação,
possibilita fazer verificações sucessivas até que a melhor solução seja
encontrada. O motivo principal do seu uso é a redução de tempo com que
estas propostas podem ser analisadas se comparadas com o método praticado
atualmente. Com as mesmas 20 horas de trabalho utilizadas pela metodologia
atual para fazer analise estática de apenas um painel em um dos seis temas
propostos pelo Departamento de Estilo será possível fazer a análise dinâmica
do mesmo painel, para os seis temas propostos. Vale à pena ressaltar que
além da importância da redução significativa do tempo de execução da análise
há também a melhoria da qualidade da informação obtida, já que a análise
dinâmica trás informações relevantes antes não disponíveis.
Com as informações disponíveis após aplicar a metodologia é possível
elaborar um modelo para tomada de decisão apresentando valores que
justifiquem alterações no Estilo do veículo em caso de nenhuma das
alternativas estudadas possibilitarem atender às necessidades de projeto
quanto aos requisitos de Engenharia.
O método aqui descrito para o porta-malas usado no estudo de caso
pode ser aplicado a todos os painéis basculantes do automóvel, tais como
capô, portas laterais, tampa de combustível e porta do porta-luvas. Porém para
isto será necessário adaptar a metodologia para os requisitos legais e
ergonômicos que se aplicam a estes outros painéis.
Importante ressaltar que o método aqui desenvolvido e apresentado
está disponível para aplicação no projeto de veículos futuros da Engenharia do
Produto da GM do Brasil e será formalizado dentro dos procedimentos globais
como uma metodologia de verificação a ser seguida quando se iniciarem novos
projetos.
62
8. TRABALHOS FUTUROS
A partir deste estudo é possível criar modelos similares para os outros
painéis basculantes do automóvel, tais como capô, portas laterais, tampa de
combustível e porta do porta-luvas. Usando do artifício de aferir o modelo de
simulação da geometria de movimentação com os veículos já em produção
para que quando a ferramenta for aplicada em um novo projeto ela tenha uma
reduzida margem de erro.
Os recursos de um software de movimentação podem nos auxiliar a
analisar mais do que apenas a simulação de movimentação do painel do ponto
de vista geométrico. É importante explorar a movimentação considerando
velocidade e aceleração, que não foram exploradas neste estudo por não ser
este o objetivo do trabalho. Estas informações são de grande importância para
determinar a energia de fechamento dos painéis que atuam no sistema de
travamento composto por fechadura e pino trava.
REFERÊNCIAS
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criatividade e qualidade. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora
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