Fórmula Student: teste de ruído de exaustão de carros de corrida

Rimac FS Alpe Adria é um evento anual de corrida de Fórmula Student realizado no norte da Croácia. As competições de Fórmula Student são realizadas todos os anos em mais países e em algumas das pistas de corrida mais icônicas do mundo, como Silverstone, Hockenheimring, Red Bull Ring e Circuito de Barcelona - Catalunya. De 26 a 29 de agosto, tudo aconteceu na pista de corrida de kart St. Rauš em Novi Marof, perto da cidade de Varaždin.

Era quinta-feira de manhã cedo quando nós - a equipe Dewesoft - embalamos nosso carro show, um Ford Ranger, com equipamento técnico e algum material promocional. Após os cerca de 140 km de carro de Trbovlje na Eslovênia, chegamos ao evento FS Alpe Adria. E imediatamente, ficamos maravilhados com a atmosfera - os alunos estavam todos carregados com engenharia pura e energia de corrida.

Este ano, em Novi Marof, 37 equipes de 14 países participaram da competição. Centenas de jovens e muitas tendas. Cada equipe tinha uma tenda - um local para preparar seus carros para as modalidades de corrida. Nessas boxes, as equipes se apresentaram com placas e faixas. Outras tendas foram reservadas para funcionários e espectadores; inspeções, serviços mecânicos ou elétricos, barracas de comida, etc.

O principal patrocinador do evento é a empresa croata RIMAC Automobili que fabrica hipercarros elétricos e tecnologias associadas, como baterias ou motorizações. Além disso, a Dewesoft é patrocinadora do evento - e em Novi Marof não apenas fizemos as verificações de ruído do escapamento em todos os carros de corrida, mas também fomos selecionados para fazer os check-ups e testes finais de todos os carros antes da corrida.

A Competição Fórmula Student

A Fórmula Student (FS) é a maior competição de engenharia do mundo. Existem mais de 500 equipes e mais de 40 competições em todo o mundo. O organizador das competições é geralmente uma associação nacional de engenharia com a ajuda de alguns dos maiores nomes da indústria automotiva, como Porsche, Daimler, Audi, Škoda e assim por diante.

FS é uma competição de design de engenharia que promove a solução inteligente de problemas. Equipes de alunos em todo o mundo projetam, constroem e testam um protótipo de carro de corrida com base em uma série de regras criadas para garantir a segurança na pista. Nos eventos, os veículos automotores são conduzidos pelos próprios alunos.

Participando da competição, os alunos adquirem valiosos conhecimentos sobre o trabalho prático, transformando a teoria em prática, desenvolvendo suas habilidades de engenharia e resolução de problemas e aprendendo a trabalhar juntos em equipe. No entanto, a competição também envolve networking. Cada evento é uma oportunidade para compartilhar experiências, encontrar pessoas com ideias semelhantes e potenciais futuros empregadores.

Entrando na competição

Cada equipe que deseja competir nos eventos de alunos da fórmula desejada deve se qualificar para a participação. Primeiro, há um teste. Todos os eventos acontecem durante o verão, teste o questionário é realizado em fevereiro. As perguntas do questionário derivam do livro de regras do aluno da fórmula; alguns são sobre problemas da área de engenharia e alguns são de natureza comercial. As equipes com melhor pontuação são elegíveis para a próxima etapa.

Porque isso não é tudo. O próximo obstáculo para entrar na competição é o vídeo de status do veículo (VSV). Cada equipe deve produzir um vídeo de seu veículo viajando 30 m com curvas de 180 ° enquanto dirige pelo menos 10 km / h. O vídeo VSV deve ser enviado pelo menos 6-8 semanas antes de qualquer competição FS.

Então, quando o evento começa, cada equipe tem que passar por uma variedade de inspeções mecânicas e testes antes de entrar no campo de treinamento - e antes de ingressar nos eventos dinâmicos. Cada parte da inspeção técnica é "premiada" com um adesivo de aprovação colocado no nariz do veículo. No final, quando seu carro de corrida for para a pista, todos os adesivos devem estar lá.

Existem 3 categorias principais de carros FS: veículos de combustão (CV), veículos elétricos (EV) e veículos sem motorista (DV). A competição consiste em várias disciplinas estáticas e dinâmicas e é administrada por vários juízes que muitas vezes são especialistas renomados em suas respectivas áreas da indústria automotiva.

As equipes vão competir em mais disciplinas. Cada um deles carrega uma certa quantidade de pontos, totalizando 1000 pontos disponíveis em cada categoria de carros. Naturalmente, a equipe que obtiver mais pontos é a vencedora!

A série de disciplinas está dividida em duas partes diferentes: eventos estáticos e eventos dinâmicos.

Eventos estáticos

Projetar um carro FS requer uma abordagem interdisciplinar e trabalho em equipe. Além do conhecimento técnico, os alunos também devem possuir habilidades econômicas e sociais:

• Apresentação do plano de negócios (BPP)
  No BPP, a tarefa é avaliar a capacidade da equipe de desenvolver um modelo de negócios abrangente que demonstre seu produto - um protótipo de carro de corrida.

• Custo e fabricação
  O objetivo deste evento é avaliar o processo de fabricação e o custo associado à construção de um carro de corrida para cada equipe.

• Design de engenharia
  Neste evento, os juízes - geralmente, os juízes são engenheiros da indústria automotiva - avaliam o processo de engenharia, esforços e soluções implementados no design de carros de corrida de Fórmula Student.

Eventos Dinâmicos

Nesta parte da competição, as equipas colocam as suas “feras” na pista para mostrar do que são feitas. Os carros são colocados em seus limites em várias disciplinas para avaliar diferentes recursos:

• Skidpad
  Um evento onde os carros circulam em dois círculos que formam a figura 8.

• Aceleração
  A equipe tem que ir o mais rápido possível em linha reta por 75 m.

• Autocross
  Autocross é algum tipo de qualificação para o evento de resistência, mas aqui você dirige apenas uma volta e o tempo de uma volta é medido. É conduzido na mesma pista do evento de resistência.

• Resistência
  O objetivo é percorrer a distância de 22 km - no caso, 22 voltas - o mais rápido possível. Na metade da distância, os motoristas devem ser trocados e o carro desligado.

• Eficiência
  Isso é medido durante o evento de resistência - todos começam o evento de resistência com o tanque de combustível cheio.

Do ponto de vista do espectador, a corrida de resistência é o evento principal. Aqui, todos os pontos fortes e falhas do veículo serão mostrados - e até 4 carros podem estar na pista em simultâneo. Aceleração, velocidade, manuseio, dinâmica, economia de combustível, eficiência, confiabilidade e habilidades do motorista são testadas ao máximo. O vencedor deste evento recebe o máximo de 300 pontos - a maior pontuação possível em uma única disciplina.

Inspeção técnica

A inspeção é feita em uma ordem de etapas diferentes - se você não passar em uma, não poderá seguir:

• Pré inspeção
  Aqui cada equipe é verificada se tem os capacetes corretos, equipamento de segurança, extintores de incêndio, pneus de chuva e de seco. Aqui as equipes são verificadas quanto à segurança direta dos motoristas.

• Inspeção Mecânica
  Os escrutinadores verificam os veículos prontos para a corrida se eles foram construídos segundo as regras.

• Teste de inclinação
  O veículo é colocado na mesa em um ângulo de 60 °. Os escrutinadores verificam se há vazamentos de fluido no veículo e se todas as rodas ainda estão em contato com a mesa.

• Pesagem de veículos
  Os veículos são medidos em condições prontas para a corrida.

• Teste de ruído
  Aqui as equipes ligam os veículos pela primeira vez na competição. É o primeiro passo para todas as equipes se quiserem competir no evento de dinâmica. Os escrutinadores medem o ruído que vem do sistema de escapamento.

• Teste de freio
  Uma equipe passa no teste de freio se seu carro de corrida parar travando todas as 4 rodas no final da corrida de aceleração.

A Dewesoft foi convidada para o evento como patrocinador, mas também para fazer o teste oficial de ruído de todos os carros. Além disso, como os membros da nossa equipe têm experiência nos últimos anos de Fórmula Student, também recebemos a tarefa de verificar as características de segurança de todos os carros - tudo em estrita conformidade com o livro de regras FS.

No evento, todos os carros dão partida pela primeira vez para fazer o teste de ruído - os participantes não podem ligar os motores antes disso. Quando o teste de ruído for concluído com sucesso, todas as outras verificações são feitas - e devem ser aprovadas para que os examinadores estejam satisfeitos com as características estruturais e de segurança do carro.

O teste de ruído de exaustão

Os carros de corrida são barulhentos, muito barulhentos - até mesmo os FS. O ruído dos carros de fórmula feitos por estudantes pode exceder 120dB (C). O ruído faz parte da diversão, mas o controle do ruído é uma preocupação de todas as partes envolvidas no automobilismo. O ruído alto é prejudicial e pode prejudicar a audição. Os cientistas recomendam não mais do que 15 minutos de exposição desprotegida a sons de 100 decibéis ou mais.

Luka Pavlović, o organizador do Rimac FS Alpe Adria 2021, afirma: “Um dos principais componentes durante a fase de verificação do evento é o teste de ruído. Os veículos de combustão são limitados em termos de ruído, da mesma forma que um carro de estrada ou uma bicicleta convencionais. As equipes geralmente projetam seu escapamento para ficar o mais próximo possível do limite, de modo a extrair o máximo desempenho de seus motores. ”

A pista de kart em Novi Marof Croácia é um ótimo lugar para eventos de corrida tão barulhentos. Devido ao seu isolamento, o ruído não é realmente um problema para os residentes locais. As áreas ao redor da trilha não são povoadas, e nem mesmo cobertas por florestas ou pastagens intocadas - a vida selvagem também não gosta muito de barulho.

No entanto, o problema aqui é a preocupação com as pessoas dentro e ao redor da pista, participantes, oficiais e espectadores. Para passar na inspeção técnica para a competição de estudantes de fórmula, todos os carros com motor de combustão interna precisam passar por um procedimento de medição de ruído de escapamento. É por isso que as regras unificadas da Fórmula Student afirmam que os níveis de ruído gerados pelos carros de combustão devem estar em certos limites:

• CV 3.2 Nível Máximo de Som

• CV 3.2.1 A velocidade máxima de teste de nível de som para um determinado motor será a velocidade do motor que corresponde a uma velocidade média do pistão de 15,25 m / s. A velocidade calculada será arredondada para as 500 rpm mais próximas. O nível de som máximo permitido até esta velocidade calculada é 110 dB (C), pesagem rápida.

• CV 3.2.2 A velocidade de teste de marcha lenta para um determinado motor será decidida pela equipe e determinada por sua velocidade de marcha lenta calibrada. Se a velocidade de marcha lenta variar, o veículo será testado em toda a faixa de velocidades de marcha lenta determinada pela equipe. Em modo idle, o nível de som máximo permitido é 103 dB (C), pesagem rápida.

Confira o teste de ruído do escapamento de carros de corrida de Fórmula Student com Dewesoft em Novi Marof

Cálculo de RPM

O teste foi realizado através de medidor de nível de som. Normalmente, cada equipe precisa ter um display de painel ou um computador conectado para mostrar a rotação do motor durante o teste, mas o software DewesoftX nos oferece uma variedade de recursos e gadgets.

Um recurso útil, neste caso, foi o plug-in do analisador FFT que nos expôs a primeira - a mais dominante - harmônica da frequência produzida no som pelo processo de combustão dentro do motor. Com um pouco de “mágica” no módulo matemático, poderíamos calcular o RPM do motor com base na pressão sonora vinda do escapamento.

Para verificar as RPMs apresentadas pelo software de gerenciamento do motor de cada equipe, criamos uma fórmula para detectar as RPMs do motor diretamente do sinal do microfone - sem a necessidade de quaisquer sensores adicionais.

Definimos uma fórmula simples dentro do recurso padrão do software DewesoftX, Dewesoft Math, que permite aos usuários configurar análises para suas tarefas de medição. Primeiro, usamos uma função chamada MAXPOS - que retorna a posição do eixo x da amplitude máxima detectada dentro da faixa de frequência medida. Como entrada para a função, usamos os espectros de análise FFT do microfone de medição.

A saída da função é então a frequência em que ocorre a amplitude máxima. Como queríamos uma saída na forma de RPMs em vez de Hz, multiplicamos por 60 para obter as unidades desejadas.

Como o número de cilindros multiplica proporcionalmente a localização do primeiro harmônico, foi necessário corrigir o número variável de cilindros - os motores usados ​​nos carros de corrida são diferentes em design, alguns usam um único cilindro e outros até 4.

O número de cilindros foi definido como entrada do usuário, permitindo-nos inserir o valor correto para cada um dos carros testados antes da medição. Como o Fórmula Student exige que todos os carros usem motores 4 tempos, também foi necessário corrigir a ocorrência do ciclo de escapamento, que acontece uma vez a cada duas revoluções - o que significa que a fórmula geral teve que ser multiplicada pelo valor de 2.

Resumindo, a função Array MAXPOS retorna a última posição do valor MAX que foi usado para obter a frequência exata do motor em rotação - a posição em FFT é a frequência. Este foi dividido pelo número de cilindros, multiplicado por dois e convertido de Hz para RPM.

Como o teste requer testes em marcha lenta e limite superior de RPM, definimos uma fórmula para automatizar a determinação do limite superior de RPM. Isso foi calculado e arredondado para 500 RPMs com a ajuda do curso do motor - definido em mm. Isso foi definido como entrada do usuário e inserido no software para cada equipe com base no comprimento do curso que nos foi fornecido pelas equipes de corrida.

Esse método de detecção tem suas limitações. É baseado na hipótese de que o 1º harmônico será sempre o mais proeminente no espectro medido. Em alguns casos, o projeto do escapamento apresenta ressonadores, seções cegas do tubo de escapamento adicionadas ao tubo principal para reduzir a vibração. Nesses casos, pode haver harmônicos mais altos com amplitudes mais altas, o que resulta em uma leitura imprecisa da velocidade do motor.

No entanto, a detecção de RPM não precisa ser realizada como parte do procedimento de verificação de ruído - era uma parte opcional da medição. Por isso e também pela rara ocorrência de leituras incorretas, consideramos esse método adequado. Com base no feedback dos membros da equipe de corrida, mostrar os resultados durante a medição em si foi um recurso útil.

Configuração do teste de ruído

O teste de ruído é realizado como um teste estático - todos os carros foram trazidos para nós. Tínhamos montado nossa barraca para ter um teto que mantivesse o equipamento protegido do mau tempo. Para as medições, não precisamos de barraca. Os resultados de tais testes de ruído podem ser enganosos se você não tomar cuidado para evitar reflexos dos arredores. Durante nossos testes, as saídas de exaustão estavam voltadas para o lado oposto da barraca para reduzir a reflexão do som ao mínimo.

Como a saída de exaustão de qualquer carro está em uma posição única, o microfone deve ser configurado especificamente para cumprir as regras FS:

• IN 10.1.2 O veículo deve estar em conformidade em todas as velocidades do motor até a velocidade máxima de teste, ver CV 3.2.1.

• IN 10.1.4 As medições serão feitas com microfone de campo livre colocado livre de obstruções no nível da saída do exaustor, a 0,5 m da extremidade da saída do exaustor, em ângulo de 45 ° com a saída no plano horizontal.

Para as medições, usamos:

Hardware:

• Um Dewesoft SIRIUSi com amplificador ACC,

• Um microfone G.R.A.S. IEPE 146AE - microfone robusto de campo livre de meia polegada classificado como IP67 com TEDS montado em um tripé,

• Um G.R.A.S. Calibrador multifuncional 42AG - calibrado por um laboratório de calibração acústica credenciado internacionalmente), e

• Um laptop.

Programas:

• Software DAQ DewesoftX RC2021.5

• Plugins DewesoftX:

  • Medidor de nível sonoro (SLM)

  • Analisador FFT

  • Módulo matemático

A configuração completa não estava apenas seguindo as regras do FS, mas também os padrões internacionais. A cadeia de medição - o sistema DAQ, o microfone e o software SLM usado para análise - está em conformidade com os requisitos IEC 61672 Classe 1. O microfone estava em conformidade com o padrão 61094 para microfones de medição e o calibrador de nível com IEC 60942 - e tinha um certificado de calibração credenciado internacionalmente válido. Antes de cada medição, o calibrador foi usado para garantir que a sensibilidade do microfone foi definida com precisão para as condições ambientais atuais.

As medições de ruído

Montamos o sistema de medição e colocamos o microfone em um tripé ajustável - o decibelímetro estava pronto. As equipes então trouxeram seus carros para nossa estação de inspeção e realizaram um aquecimento do motor. Todos os veículos devem ser compatíveis em todas as velocidades do motor até a velocidade máxima de teste.

Como os carros diferem em design, às vezes é difícil colocar o microfone na posição certa. Deve estar a 0,5 metros da saída de exaustão e em um ângulo horizontal de 45°. No entanto, o ângulo e a direção das saídas variam e, em alguns casos, há mais de uma saída - todas precisam ser testadas separadamente e as maiores contagens de leitura de ruído. Qualquer ajuste ativo ou dispositivo de estrangulamento no escapamento deve ser compatível em todas as posições.

As equipes pretendem obter o máximo de potência do motor - isso significa que eles não querem “sufocar” os motores demais. Nossas medições mostraram que algumas equipes estavam excedendo ou no limite do nível de ruído permitido.

Para reduzir o nível de ruído, percebemos algumas técnicas utilizadas pelas equipes. Um deles era o chamado “dB killer” - um encaixe montado na saída do escapamento e que reduzia seu diâmetro, fazendo com que as ondas de pressão do gás saltassem e retornassem ao cano. Outros são uma extensão do tubo de exaustão ou direcionando a saída de exaustão para o ar livre.

No nosso caso, o FS Rimac Alpe Adria foi a última competição da temporada 2021 e quase todas as equipes competiram em pelo menos uma das competições anteriores. É por isso que os níveis de ruído estavam dentro dos requisitos.

Quando se trata dos valores de ruído medidos, o pensamento intuitivo pode ser que, até certo ponto, uma pequena diferença nos níveis de dB é desprezível e que é sensato permitir alguma tolerância no topo dos limites prescritos.

Mas, na realidade, é importante seguir os limites estritamente - mesmo uma diferença de apenas 1dB no valor significa um grande aumento dos níveis de pressão sonora medidos. A escala de dB é logarítmica e não linear - se o nível de ruído exceder o máximo necessário de 110dB (C) a 111dB (C), não é apenas 0,91% alto demais, mas cerca de 10%.

Conclusão

Ficamos felizes por passar o fim de semana na pista de corrida de Novi Marof. Divertimo-nos muito - e os testes de ruído no Rimac FS Alpe Adria 2021 foram realizados em estrita conformidade com o procedimento FS especificado e o equipamento utilizado era adequado.

O organizador Luka Pavlović, disse:

Convidamos a Dewesoft para nos ajudar com a medição, uma vez que eles são conhecidos mundialmente por sua experiência em engenharia de som. Como esperado, eles fizeram seu trabalho perfeita e profissionalmente, garantindo que tudo estivesse de acordo com o Livro de Regras do Estudante de Fórmula oficial. Eles até ajudaram algumas equipes e deram dicas úteis, afinal essa é uma competição de estudantes, é aprender e crescer.

A chave do nosso sucesso foi seguir o procedimento. No entanto, nossos testes foram um pouco diferentes daqueles realizados em eventos anteriores. Introduzimos um novo nível de objetividade ao exibir todas as saídas de medição diretamente em uma tela grande - dando aos membros da equipe uma visão imediata dos níveis de ruído medidos, bem como do procedimento de teste.

Um dos pilotos da equipe UNI Maribor GPE, o líder técnico Adam Grah disse: “Estou nesta competição há mais de três anos e já estive em mais de seis competições e devo dizer que o teste de ruído deste ano foi o mais objetivo e o mais impressionante que já vi, especialmente porque pudemos ver os valores diretamente dos próprios escrutinadores ”.

Em conclusão, demos a cada equipe os dados medidos junto com o instalador de nossa última versão de software em um pendrive. As equipes agora podem fazer uma análise mais aprofundada dos dados adquiridos e obter informações vitais para melhorias ou modificações adicionais em seu projeto de escapamento e motor.

A Dewesoft tem apoiado por alguns anos as equipes de corrida eslovena FS das universidades de Ljubljana e Maribor. O líder da Aerodinâmica da equipe UNI Maribor GPE Jakob Razdevšek concluiu sobre a nossa colaboração: “Nosso processo de desenvolvimento foi facilitado com o uso de equipamentos de medição Dewesoft”.

O evento deste ano na Croácia foi incrível! Todos os nossos sensores e equipamentos atendem às normas internacionais de medição de som. Nossas medições foram precisas, repetíveis e muito úteis. Um trabalho bem feito!

As equipes da Rimac FS Alpe Adria

Combustão

Elétrico