Desenvolvimento de um sistema para medição e análise de esforços mecânicos em chassi tubular de um veículo

Abstract

O objetivo do presente trabalho é desenvolver e implementar um sistema para a medição dos esforços mecânicos na estrutura de um veículo de chassi tubular de Alumínio 6063 T5, utilizado em competições de eficiência energética. Os esforços mecânicos foram obtidos pela deformação elástica do chassi, medida por meio de extensômetros bf350-3ab(23)n6 distribuídos nos pontos de interesse do chassi, durante a operação do veículo. O sistema de condicionamento do sinal dos sensores consiste de doze canais independentes com amplificadores de instrumentação MAX4195, filtros analógicos de topologia Sallen-Key, amplificadores de ganho programável MAX9939, conversores digital-analógico MAX5134 e analógico-digital MAX11040k, permitindo o ajuste do condicionador de sinais para as mais diversas situações de operação O circuito condicionador utiliza interfaces SPI e i2c para controle e aquisição de dados, sendo estas comandadas por um single-board computer Raspberry Pi 3 model B com sistema operacional Raspbian Strech Lite, baseado na distribuição Linux Debian. As rotinas de controle foram escritas na linguagem Python 2.7. As simulações computacionais do chassi para determinação das deformações mecânicas foram realizadas no software SolidWorks Trial 2017. Para a obtenção experimental destas deformações mecânicas, foi utilizado o módulo NI-9237, conectado ao chassi cDAQ-9174, ambos de fabricação da National Instruments. A partir dos dados experimentais, verificou-se que a sensibilidade das pontes extensiométricas implementadas foi, em média, 0,44 μm/kgf, o que prejudicou a performance do sistema de condicionamento e aquisição de dados devido à baixa amplitude elétrica dos sinais provenientes das pontes. Deste modo é possível a hipótese de que a estrutura mecânica foi superdimensionada e otimizações ao projeto desta possam ser realizadas.

The main objective of this project is to design and implement a measurement system, intended for the evaluation of the mechanical stresses within the chassis of a vehicle designed to be used in energy efficiency competitions. This chassis was constructed using extruded Aluminium pipe sections of alloy type 6063-T5. The mechanical strain was evaluated by the use of forty bf350-3ab(23)n6 strain gages in a Wheatstone bridge configuration, for a total of ten individual strain channels. The strain gage bridge signal conditioning system contains twelve individual channels and consists of instrumentation amplifiers. This signal conditioning system was split in two separate parts: the first one contains only analogue electronics and is comprised of instrumentation amplifiers, fixed-gain preamplifiers and Sallen-Key antialiasing filters. The second part contains mixed-signal electronics, such as Programmable-Gain Amplifiers, analogue-to-digital converters and digital-to-analogue converters, allowing a single circuit to cover a broad range of applications. The mixed-signal half of the signal conditioning system uses SPI and i2c interfaces for communications These communications were managed by a Raspberry Pi 3 Model B single-board computer, running the Raspbian Stretch Lite operating system. All of the programs required to control the mixed-signal half of the signal conditioning unit were written in Python 2.7. In order to determine the mechanical strain of the mechanical structure, when subjected to varying loads, simulations were executed in SolidWorks Trial 2017. Experimentally, the mechanical strain figures were obtained by means of a National Instruments NI-9237 module, connected to a cDAQ-9174 chassis. From static strain tests, it was obtained that the average sensitivity of the load cells was 0.44 μm/kgf, which hampered the performance of the signal conditioning system due to the low output of the load cells. Due to the low deformation observed in the chassis of the vehicle, it is possible that the structured was overengineered, enabling future optimizations to its project.