Sunday, November 30, 2014

Velomobile III - Construção - Eixo dianteiro

Neste post abordo a construção (falhada) de uma das possíveis soluções para uma das zonas mais críticas da estrutura de um velomobile: a estrutura de suporte ao eixo dianteiro. Num velomobile correctamente dimensionado, cada uma das rodas deverá suportar cerca de 1/73 da carga, o que implica que o eixo dianteiro deverá suportar 66% do peso estático. A carga dinâmica será sempre bastante superior a este valor, tanto em travagem como em curva, situações em que no limite dos limites poderemos ter mais de 90% da carga sobre uma das rodas dianteiras, com valores absolutos de várias dezenas de quilogramas aplicados a uma única roda.

Numa estrutura monocoque, o objectivo é sempre distribuir os pontos de tensão pela maior área possível. Faz-se isto distribuindo os apoios de cada roda por 4 zonas de apoio diferentes, localizados em diferentes pontos da estrutura, de forma a conseguir um conjunto robusto, leve e tão rígido quanto possível. Neste caso ensaiei uma espécie de berço que deveria supostamente ficar entre as rodas dianteiras e devidamente reforçado pela placa curva entre ambos os lados; depois de devidamente reforçado com três camadas de contraplacado e de fibra de vidro, deveria ser capaz de suportar os esforços mais exigentes a que pudesse vir a ser submetido. Na realidade acabei por sobredimensionar a placa central, e de acordo com observações posteriores concluí que iria acabar por interferir com o espaço necessário aos pés para completar a rotação completa da pedalada. A resolução deste problema implicava proceder a uma série de cortes que acabariam por fragilizar toda a estrutura, inutilizando-a, razão pela qual acabei por abandonar esta solução. Fica a experiência e as fotos.




Velomobile II - ensaio

De acordo com as conclusões a que tinha já chegado, fiz algumas alterações substanciais ao projecto original. Assim, reduzi o comprimento total - no final deverá ficar em cerca de 2,50 m, mantive a largura interior entre as rodas dianteiras nos 40 cms e na dianteira deixei algum espaço ao improviso - irei necessitar dele mais tarde.


Esta é a placa do fundo, nesta imagem a formar uma curva simples para o corte da lateral. Ao contrário do Quest, o fundo terá uma curvatura perceptível - optei por ter todas as superfícies com uma curva simples, dado que no final as uniões daí resultantes formam uma espécie de longarinas que aumentam significativamente a rigidez do conjunto.


Nesta imagem, e nas seguintes, um ensaio da estrutura presa com fita-gomada já a incluir uma placa a simular as embaladeiras das rodas dianteiras. A utilização da fita-cola acabou por me correr mal, dado que o conjunto desmoronou a meio da noite, mas deu para ficar com uma idéia bastante precisa do resultado final e das dificuldades com que ainda me vou debater. Tudo tem que ser ajustado e compensado por muito bem que a madeira seja cortada, por simétricas que sejam as peças, parece sempre que tudo tem a medida errada.


A localização do assento é crucial para a determinação correcta do centro de massa; como sempre irei fazer um modelo adaptado a mim e com um mínimo de possibilidades de adaptação. A localização e altura dos pedais são factores determinantes na altura total da carenagem, sendo que a linha de visão tem que estar acima desse nível, mantendo a inclinação do assento numa posição tal que permita pedalar confortavelmente durante longos períodos de tempo.


Optei por duas laterais quasi verticais em vez da forma arredondada e mais complexa do modelo do Friend Wood por três razões: a simplicidade, a leveza e a vantagem aerodinâmica de funcionar como vela com ventos laterais. Desvantagens: uma estética mais rudimentar, ligeiramente menos robusta e maior sensibilidade a rajadas laterais.


Nesta foto a traseira aparece, por deformação da imagem, anormalmente larga. Apesar de ser mais larga do que na grande maioria dos velomobiles, tal deve-se a uma questão prática: aumentar ligeiramente as dimensões em todas as zonas estruturalmente significantes, e a cauda é uma delas - não podendo terminar em gume, alarga-se. Ao contrário do que seria de esperar, o corte abrupto da cauda não é forçosamente mau em termos aerodinâmicos, pelo contrário, de acordo com as pesquisas de Wunibald Kamm, com a vantagem de diminuir a sensibilidade a rajadas de vento laterais

Velomobile I

De volta a um projecto antigo, e depois de amadurecer umas quantas idéias, decidi-me a fazer algumas experiências.

Fui buscar a base que já tinha feito há algum tempo seguindo as medidas do Quest (http://en.velomobiel.nl/quest/) para análise. Na altura a idéia que tinha era fazer uma réplica tão fiel quanto possível deste velomobile, de preferência em contraplacado e fibra de vidro numa estrutura monocoque - não sendo possível, pois lá teria que ser um chassis carenado, mas o objectivo inicial era seguir pela primeira via.

A escolha deste modelo em concreto baseou-se à data exclusivamente na perspectiva da simplicidade e da performance. Com efeito, este velomobile continua a ser uma das principais referências dentro do género, com algumas particularidades que o transformam num caso verdadeiramente singular. É o que se aproxima mais da forma aerodinâmica ideal, com um rácio aproximado de 1 para quatro (largura vs. comprimento) e com todas as três rodas incluídas dentro da carenagem (fechadas). Teóricamente não poderia haver melhor. Contudo, a prática é um pouco diferente: com 2,85 m de comprimento, toda a logística se torna um tudo-nada complicada; associado a isto, as rodas fechadas tornam o raio de viragem bastante "abrangente" - cerca de 11 metros - e, em acréscimo, tornam bastante real a possibilidade de capotar em curva, dada a reduzida largura entre vias. Tentar manter tudo isto fechado dentro de um corpo mais ou menos compacto tem como consequência tornar o habitáculo quase inabitável. Não é o que se pretende.
Ou seja, há que adaptar a idéia original. 

Analisando os elementos todos a frio, e deixando a discussão de outros paradigmas para outra ocasião mais conveniente, a escolha da implementação standard (duas rodas direccionais à frente, uma roda tractora atrás) tem algumas vantagens: simplifica a construção de toda a transmissão, que é feita com elementos standard que se encontram em qualquer loja de bicicletas e permite, com algum esforço e imaginação, montar o eixo dianteiro também com componentes "standard" - aqui entre aspas porque encontrar duas rodas 20" com travão de disco foi o cabo dos trabalhos, mas graças à equipa da Cenas a Pedal consegui duas da KMX com eixo de 13mm. Agora falta "apenas" montar tudo o resto. A seu tempo...

A minha principal inspiração para a escolha do modelo veio daqui. São fotografias de uma réplica do Quest feita em contraplacado, não sei exactamente segundo que processo mas imagino que seja o "stitch & glue", utilizado maioritáriamente para a construção caseira de kayaks, mas que neste caso se adequa perfeitamente. Uma outra fonte de inspiração muitíssimo interessante, embora seguindo uma abordagem radicalmente diferente foi o blog Plywood Velomobile, em que é utilizado um método de dobragem do contraplacado com um reforço em tubo de alumínio.

O Quest original pesa cerca de 32 Kg; o velomobile do Titus Van den Brink na ordem dos 23, aparentemente com um resultado bastante mais flexível e um nada menos robusto, segundo percebi, e a réplica do Quest do friend Wood deverá ser ligeiramente mais pesada do que o original. O peso é, de todos os factores, um dos menos importantes a ter em conta, ainda assim relevante na altura de enfrentar algumas subidas mais íngremes. Lastro é sempre lastro, e tudo o que não é necessário é lastro. 

Concluí muito rápidamente, relativamente ao modelo original (o Quest) que:
-2,85 m de comprimento é demasiado, e muito pouco prático; sendo que o limite mínimo do pé direito é de cerca de 2,60 m, a possibilidade de armazenamento vertical é sempre uma mais-valia; além disso, é necessário considerar a possibilidade do transporte do velomobile no tejadilho do carro, circusntância em que o comprimento do Quest se torna verdadeiramente um desafio;
-Largura: o objectivo é ter uma largura total inferior a 80 cms (largura standard da porta de entrada da grande maioria das casas), e também porque quanto menor for a "fachada" menor será a resistência atmosférica;
-Raio de viragem: os 11 m do Quest são óviamente o limite do prático; para conseguir baixar este valor para algo mais prático (cerca de 8 m) as rodas dianteiras não podem ficar dentro da carenagem. Há uma perda significativa de eficiência aerodinâmica, mas os ganhos de manobrabilidade mais do que compensam;
-Método de construção: o ideal seria fazer um molde, e a partir deste todo o corpo em fibra de vidro/carbono/kevlar. Este processo, além de demorado e com demasiados desperdícios para uma peça única, será seguramente demasiado caro. O velomobile do Friend Wood é, em termos de forma, demasiado complexo para conseguir um resultado que possa considerar aceitável, pelo que me terei que ficar por algo intermédio. O material será seguramente o contraplacado, o método "stitch & glue" (que já utilizei anteriormente) e o resultado será algo um nada diferente daquilo que imaginei originalmente;
-Transmissão: estou a ponderar sériamente utilizar a mesma medida nas três rodas (20"), com as vantagens e desvantagens que enuncio na segunda imagem.


Vista frontal: o posicionamento aproximado da pedaleira, do eixo dianteiro e do assento. A base tem as medidas aproximadas do Quest. As rodas dianteiras têm que ficar à face da carenagem.


Eixo traseiro: o Quest serve-se de uma roda 26". Estava a fazer o ensaio com uma roda 20" para ver qual o resultado. A utilização da roda 26" tem a vantagem de, com uma pedaleira 53/43/30, conseguir uma gama de velocidades muito interessante - algo entre uma btt e uma estrada; a roda 20", exigindo um sistema intermédio, permitirá uma gama ainda mais extensa, às custas de um aumento de peso e de complexidade da transmissão. Tem contudo a vantagem de ter todos os pneus e câmaras de ar à mesma medida, e a roda 20" apresenta uma muito maior robustez a esforços laterais do que a roda 26".