Sistema Wind-up

O sistema Wind-up tem como objetivo reduzir as perdas energéticas inerentes a qualquer automóvel. Resumindo seu simples princípio de funcionamento, no sistema Wind-up, molas atuam como armazenadores de energia, absorvendo boa parte da energia cinética do veículo quando em movimento.

Visando a boa compreensão do seu princípio de funcionamento, seguem algumas definições:

1) Energia Cinética: Está relacionada com o movimento dos corpos. O resultado da energia cinética está intrinsecamente ligado ao valor da massa do objeto e a sua velocidade de movimento.

A Energia cinética (EC) é calculada através da fórmula:

EC = 0,5 x m x v2. Onde, "m" é massa do objeto e "v" é a sua velocidade.

No Sistema Internacional (SI), a Energia Cinética é dada em joules (J), a massa em quilograma (Kg) e a velocidade em metro por segundo (m/s).

Exemplificando: Imaginemos um veículo com massa de l.OOOkg, viajando a uma velocidade de 100k/m (convertendo para o SI, igual a aproximadamente 28m/s). Neste caso, aplicando a fórmula acima, sua energia potencial será de 392.000 J.

2) Trabalho Mecânico: É o produto de uma força aplicada em um corpo que produz o seu deslocamento.

O trabalho, no SI indicado pela letra grega t, é calculado através da fórmula: t = F x d. Onde, "F" é a força aplicada ao objeto e "d" é a distância percorrida.

No sistema internacional, o Trabalho também é dado em joules (J), a força em Newton (N) e a distância em metro (m). Exemplificando: Imaginemos um veículo com massa de l.OOOkg, que se deslocou do seu repouso absoluto (completamente parado) por 100m. Então, o trabalho aplicado foi de 100.000 J. ) Força Resultante: A Segunda Lei de Newton diz que a força resultante que age sobre um corpo deve ser igual ao produto da massa do corpo por sua aceleração.

A força (F), que no SI é indicada em Newtons (N), é calculada através da fórmula:

F = m x a. Onde, "m" é a massa do objeto e "a" é a sua aceleração.

No SI, a massa é dada em quilograma (kg) e a aceleração em metros por segundo ao quadrado (m/s ^A 2).

Ilustrando, quando um objeto altera sua velocidade de deslocamento, seja do repouso absoluto para uma determinada velocidade de movimento ou vice-versa, uma força externa foi aplicada para tanto, sendo calculada pelo produto da sua massa pela aceleração. Caso a velocidade aumente, pode-se afirmar que a aceleração da força aplicada foi positiva. Do contrário, ou seja, caso o objeto esteja reduzindo a sua velocidade (freando), a aceleração da força aplicada foi negativa. ) Energia Potencial Elástica:

É a energia potencial de uma corda que possui elasticidade ou, na caso, uma mola.

Se considerarmos que uma mola apresenta comportamento ideal, ou seja, que toda energia que ela recebe para se deformar ela realmente armazena, podemos escrever que a energia potencial elástica (Eel) acumulada nessa mola vale:

Eel = 0,5 x k x c ^L 2. Onde, "k" é a constante elástica da mola, no SI expressada em Newton por metro (N/m), e "x" é a deformação que a mola sofre pela força F em relação ao seu estado natural, expressada em metro (m). É importante ressaltar que o tipo de mola aplicado no sistema Wind-up é o clássico helicoidal, o qual conceitualmente trabalha sofrendo deformações sempre no sentido linear, em um único plano. Imaginemos uma mola de baixa constante elástica, sendo o suficiente para ser manuseada pelas mãos. Sabe-se que a mesma será comprimida se aplicarmos forças semelhantes em seus dois extremos. E, sabe-se também, que a mesma mola retornará ao seu formato inicial depois de libertada, liberando a energia "armazenada" na mola, que fora gerada pela aplicação da força e do deslocamento sofrido.

Os automóveis, tão bem conhecidos e largamente utilizados em qualquer lugar do planeta, se locomovem através de diferentes meios de propulsão, seja elétrica, com motores a combustão de combustíveis fósseis, híbridas, nitrogénio, etc., mas respeitando necessariamente as leis da física supracitadas. O sistema Wind-up funciona basicamente criando um "reservatório" para armazenar boa parte da energia cinética que é desperdiçada durante as desacelerações do veículo (frenagens), principalmente nos usos urbanos, onde as constantes acelerações e desacelerações consomem grande quantidade de energia.

Imaginemos um veículo que trafega a 100km/h e necessita parar em poucos metros. Atualmente, nos veículos com motores a combustão, toda a energia cinética é absorvida e desperdiçada pelos freios aplicados pelo condutor para que o veículo pare. Nos sistema Wind- up, grande parte da energia cinética do movimento é armazenada em um banco de molas helicoidais, para que depois seja aplicada sempre nas subsequentes acelerações. Efeito semelhante ocorre nos atuais veículos elétricos, que aplicam sistemas de freios regenerativos, que enviam energia elétrica gerada pela frenagem para a bateria.

Visando acentuar ainda mais a compreensão dessa dinâmica, vale acrescentar os seguintes conceitos:

1) Movimento circular e movimento retilíneo:

Salvo em raríssimos casos em que veículos se movimentam através de turbinas ou de propulsores elásticos, como num estilingue ou num arco-e-flecha, os automóveis se locomovem através de forças que geram rotações em suas rodas motrizes. Isto posto, como as molas helicoidais têm o princípio de funcionamento com movimentos retilíneas, faz-se necessário converter o movimento rotacional das rodas em movimento retilíneo das molas. Assim sendo, para o sistema Wind-up, optou-se pelo sistema de pinhão-cremalheira, onde uma engrenagem circular (pinhão) transfere sua rotação para uma cremalheira (espécie de barra dentada ajustada aos dentes do pinhão):

2) Embreagem:

Trata-se de um mecanismo utilizado para transmitir a rotação de um conjunto para outro, quando acionado. Nos veículos como bem conhecemos, a embreagem serve para transmitir a rotação do motor para a caixa de velocidades e assim para as rodas motrizes. Ao acionar a embreagem (acionar o pedal), o motor e as rodas giram independentemente. Ao soltá-la, o motor é diretamente conectado às rodas motrizes.

3) Inversor de rotações: Dispositivo simples que tem como objetivo a inversão do sentido de rotação de um eixo.

Numa aplicação prática, a tão bem conhecida e aplicada marcha à ré dos veículos automotores, inverte o sentido de rotação das rodas automotrizes em relação ao sentido de rotação do motor, que invariavelmente gira em um mesmo sentido de rotação. Considerando os conceitos supracitados descritos, segue diagrama simplificado do sistema Wind-up: a) Acelerando o veículo (descarregando a energia acumulada no banco de molas): b) Freando o veículo (carregando energia no banco de molas): c) Veículo em inércia de movimento (parado ou em velocidade constante): A memória de cálculos a seguir, baseada nas teorias supracitadas das leias da física, fundamentam o princípio de funcionamento do sistema Wind-up:

1) Premissas

Massa do veículo (kg) = 1580

Raio da roda motriz (m) = 0.31

Distância (m) = 20

Revoluções roda motriz (rev) = 10

2) Cálculo do trabalho na aceleração

F = m x a

m (kg) = 1,580

a (m/s ^A 2) = 1

F (N) = 1,580

T = F x d

d (m) = 20

T (Nm) = 31,600

0 - d (s) = 23

Velocidade em d (km/h) = 23

3) Energia do banco de molas

F (N) = 1,580

F = k x x

x (m) = 0.2

k (N/m) = 400,000

k (N/mm) = 400 k (kgf/mm) = 4,079

T = (k x c ^L 2) / 2

T (Nm) = 8,000

Quantidade de molas = 3.95 Para se ter uma ideia do empuxo correspondente à uma aceleração de lm/sê, desconsiderando as perdas por atrito, o sistema isolado seria capaz de acelerar o veículo de 0- 100km/h em 27.8 segundos.

A Figura 1 ilustra a configuração final do Sistema Wind-up integrada a um veículo exemplificado, considerando a memória de cálculos acima. A Figura 2 descreve a lógica de operação do sistema, durante a condução do veículo.

Em síntese e de forma didática derradeira, pode-se observar princípio de funcionamento semelhante nos clássicos carrinhos miniatura de fricção, os quais se movimentam os mesmos em sentido de marcha-a-ré, para carregar a mola interna, e depois os libera para se deslocarem através da energia armazenada. A busca contínua e eterna pelo maior rendimento de qualquer equipamento (recursos aplicados vs. resultados alcançados) sempre acompanhou a evolução de todos os tipos de tecnologias. Nos automóveis, com a escassez das fontes de energia, sejam fósseis, elétricas, etc., junto com a demanda cada vez maior por mobilidade e sua representatividade na matriz global, este fenômeno é ainda mais intenso. Muito já se foi feito no sentido de otimizar ao máximo a equação tempo vs. deslocamento vs. energia e muito ainda estará por vir, sempre.

Assim sendo, os benefícios da aplicação do sistema Wind-up são:

- Redução do consumo de combustível e/ou energia, nos casos de veículos com tecnologia híbrida ou elétrica;

- Redução de desgastes nos sistemas de freios, transmissão e propulsão do veículo; - Redução da emissão de gases poluentes à atmosfera;

- Redução do descarte de baterias desativadas. Ainda, por ser um sistema essencialmente mecânico, durável e independente da tecnologia de propulsão do veículo, ou seja, se movido a motores a combustão, elétricos, híbridos, hidrogénio, dentre qualquer outro, a aplicabilidade do sistema Wind-up é praticamente ilimitada. Inclusive, podendo funcionar também em conjunto com os atuais sistemas de frenagem regenerativas dos carros híbridos e elétricos. Ainda, por se tratar de um sistema durável e de reduzir os desgastes naturais dos sistemas de frenagem, além de reduzir o consumo de energia, a sustentabilidade do automóvel é potencializada substancialmente.

Por último, porém não menos importante, as atuais limitações ainda existentes nos automóveis elétricos, tais como, alto tempo de carregamento, baixa autonomia, necessidade de grandes investimentos em infraestrutura e impacto ambiental causado pelos descartes de baterias, tendem a viabilizar fortemente a aplicação do sistema Wind-up.

Considerações a serem verificadas e/ou validadas durante os testes laboratoriais

- Apesar de ser o menor ponto de desmultiplicação de rotações do sistema motriz, é válido verificar se a saída do diferencial é o melhor ponto de conexão do sistema. - Foi estimado um peso de 40kg para todo o sistema. Considerar engrenagens vazadas e carcaças de materiais leves. É possível também revisar a quantidade de molas em função das dimensões, peso e rendimento do sistema, de acordo com o veículo. Ainda, pode ser verificada também a aplicabilidade de diferentes tipos de molas (espiral, torção, grampo, fita, tração). - É necessário definir as formas de acoplamento e desacoplamento do sistema, em função da velocidade (excetuando manobras e altas velocidades), do rendimento e da suavidade durante a condução do veículo. Neste quesito, é importante também calibrar os acionamentos da embreagem com equalização da pressão no pedal de freio, com o objetivo de reduzir ao máximo a percepção do condutor. - Definir perdas por atrito e calor, compensando-as no dimensionamento do conjunto com o objetivo de manter as premissas de rendimento (aceleração, velocidade e distâncias).

- Integrar espaço ocupado e peso do conjunto no projeto do veículo, considerando principalmente a distribuição de peso entre os eixos, altura do centro de massa, manutenção do conforto no habitáculo e espaço do porta-malas. I nstalações sob o banco traseiro e/ou no fundo do porta-malas devem ser fortemente consideradas.

- Utilizar engrenagens helicoidais para reduzir o ruído do sistema.

- Durante os testes de laboratório, as premissas de distância e velocidade podem ser recalibradas em função do rendimento do sistema.

- Por se tratar de cálculo extremamente complexo e com inúmeras variáveis, a economia de combustível somente poderá ser avaliada na prática, aplicando normas automobilísticas locais para diferentes tipos de veículos.