Análise estrutural e otimização de uma bancada dinamométrica para ensaios de motores elétricos

Abstract

A transição tecnológica da indústria automotiva para a eletrificação demanda equipamentos de teste capazes de suportar espectros de vibração de alta frequência, fundamentalmente distintos daqueles gerados por motores a combustão interna. Este trabalho apresenta a análise estrutural e a otimização de uma bancada dinamométrica projetada para ensaios de motores elétricos de tração, com o objetivo principal de garantir a integridade metrológica e a segurança operacional do sistema. A metodologia empregada consistiu na modelagem computacional via Método dos Elementos Finitos, utilizando a teoria de resistência dos materiais e a teoria das vibrações para a aferição teórica dos resultados numéricos. Foram avaliados o comportamento estático da estrutura, visando assegurar o alinhamento dos eixos sob a aplicação do torque máximo de reação, e a resposta dinâmica, com o intuito de evitar o fenômeno da ressonância na faixa de rotação operacional. Os resultados da simulação demonstraram que a estrutura possui rigidez adequada, apresentando uma deflexão máxima vertical na região de acoplamento de aproximadamente 0,00178 milímetros, valor significativamente inferior ao limite de projeto estabelecido. A análise modal identificou que a primeira frequência natural da estrutura é de 313,3 hertz, situando-se confortavelmente acima da frequência máxima de excitação do motor de 83,3 hertz. Adicionalmente, a análise de vida à fadiga utilizando o critério de Goodman indicou a necessidade de otimização dos elementos de fixação, resultando na seleção de parafusos de diâmetro M14 para o flange de acoplamento, o que elevou o fator de segurança da junta para 2,40. Conclui-se que o projeto otimizado atende integralmente aos requisitos de rigidez, dinâmica e resistência, proporcionando uma base robusta para o desenvolvimento de tecnologias de propulsão elétrica.

The technological transition of the automotive industry towards electrification demands test equipment capable of withstanding high-frequency vibration spectra, fundamentally different from those generated by internal combustion engines. This work presents the structural analysis and optimization of a dynamometer bench designed for traction electric motor testing, with the main objective of ensuring the metrological integrity and operational safety of the system. The methodology employed combined computational modeling via the Finite Element Method with validations through analytical calculations of strength of materials and vibration theory. The static behavior of the structure was evaluated to ensure shaft alignment under the application of maximum reaction torque, as well as the dynamic response, with the aim of avoiding the resonance phenomenon within the operational speed range. The simulation results demonstrated that the structure possesses adequate stiffness, presenting a maximum vertical deflection in the coupling region of approximately 0.00178 millimeters, a value significantly lower than the established design limit. The modal analysis identified that the first natural frequency of the structure is 313.3 Hertz, situated comfortably above the motor's maximum excitation frequency of 83.3 Hertz. Additionally, the fatigue life analysis using the Goodman criterion indicated the need for optimization of the fasteners, resulting in the selection of M14 diameter bolts for the coupling flange, which raised the joint's safety factor to 2.40. It is concluded that the optimized design fully meets the requirements of stiffness, dynamics, and strength, providing a robust base for the development of electric propulsion technologies.