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Universidade Federal de Santa Catarina Centro Tecnológico Departamento de Engenharia Mecânica Coordenadoria de Estágio do Curso de Engenharia Mecânica CEP 88040-970 - Florianópolis - SC - BRASIL www.emc.ufsc.br/estagiomecanica [email protected] RELATÓRIO DE ESTÁGIO – 2/3 (segundo de três) Período: de 16/05/2008 a 16/08/2008 OFF LIMITS INDÚSTRIA DE COMPONENTES AUTOMOTIVOS LTDA. Nome do aluno: Mahatma Marostica dos Santos Nome do supervisor: Tiago Gonçalves de Sales Nome do orientador: Lauro César Nicolazzi Florianópolis, 20 de Agosto de 2008.

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Universidade Federal de Santa Catarina Centro Tecnológico

Departamento de Engenharia Mecânica Coordenadoria de Estágio do Curso de

Engenharia Mecânica CEP 88040-970 - Florianópolis - SC - BRASIL

www.emc.ufsc.br/estagiomecanica [email protected]

RELATÓRIO DE ESTÁGIO – 2/3 (segundo de três) Período: de 16/05/2008 a 16/08/2008

OFF LIMITS INDÚSTRIA DE COMPONENTES AUTOMOTIVOS LTDA.

Nome do aluno: Mahatma Marostica dos Santos Nome do supervisor: Tiago Gonçalves de Sales Nome do orientador: Lauro César Nicolazzi

Florianópolis, 20 de Agosto de 2008.

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ÍNDICE ÍNDICE ........................................................................................................................................2 SIMBOLOGIA ...........................................................................................................................3 1. Introdução ....................................................................................................................4 2. Cronograma .................................................................................................................5 3. Trabalho Desenvolvido..........................................................................................6 4. REFERÊNCIAS ...........................................................................................................17 a. Bibliografia .................................................................................................................17 b. Sites ................................................................................................................................18 5. ANEXOS ........................................................................................................................19 Anexo I – Comparativos de Câmbios GM .............................................................19 Anexo II – Cronograma ..................................................................................................20 Anexo III – Metodologia de Projeto .......................................................................21

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SIMBOLOGIA

CAD

FIA

GM

GPS

LT

SAE

UFSC

Computer Aided Design

Fédération Internationale de l'Automobile

General Motors

Global Positionig System

Light Truck

Society of Automotive Engineers

Universidade Federal de Santa Catarina

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1. Introdução

Ao longo do primeiro relatório (referente ao período entre 16/01/2008 e

16/05/2008) foram documentados vários passos do desenvolvimento do protótipo Off

Runner. No intuito de promover uma breve recapitulação, alguns destes passos serão

nesta introdução citados.

A tabela 01 faz uma relação das características e componentes já definidos e

dos que ainda estavam por definir no que diz respeito aos principais itens

desenvolvidos no protótipo.

ITEM DEFINIDO INDEFINIDO

Habitáculo Assoalho, arcos principais, travamentos secundários e chapas de vedação das laterais, parede corta-fogo e teto.

Chapas de suporte para componentes assessórios (painel, alavanca de marchas, GPS, road map, etc.).

Bico Arcos principais e orelhas de fixação das balanças de suspensão.

Travamentos secundários, pára-choque e suportes auxiliares (para o guincho, bateria, caixa de fusíveis, etc.).

Balanças

Dianteiras

Ângulos e cursos de trabalho, estrutura, reforços e ponto de fixação do amortecedor.

Amortecedores

e Molas

Layout dos amortecedores e tipo de mola. Rigidez de mola e set de válvulas (do amortecedor) preliminares.

Rigidez de mola e set de válvulas (do amortecedor) definitivas.

Manga de Eixo Manga de eixo do modelo Chevrolet Astra adaptado para suspensão duplo A assimétrico.

Cubos de roda Cubos do modelo GM Astra.

Motor e Layout Motor GM 2,4 litros, 16 válvulas Flex. Motor e tração traseiros. Definida posição do motor.

Sistema de ar condicionado.

Transmissão Caixa do modelo GM Astra Redução final do diferencial.

Rodas e Pneus Rodas Scorro aro 15’ modelo S-185. Pneu dianteiro Goodyear (M+S) LT 235/75R15 Wrangler AT/S.

Pneus traseiros.

Sistema de

Freios

Freio hidráulico a disco nas quatro rodas com freio direcional auxiliar nas rodas traseiras. Discos ventilados e pinças do modelo GM Corsa na dianteira.

Discos e pinças de freio traseiros.

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Sistema de

Direção

Pinhão/cremalheira sem assistência hidráulica. Setor de direção do modelo GM Corsa, adaptado.

Suspensão

Traseira Semi-trailing arm.

Geometria, estrutura, curso, reforços, fixação do amortecedor e manga de eixo.

Assento Bancos especiais para competição, com entrada para cintos de segurança de cinco pontas modelo RS da marca OMP.

Tanque de

Combustível

Fabricação própria, com capacidade para 94 litros e sistema duplo redundante de bombas. Fabricado em chapas de alumínio soldadas.

Avaliação da necessidade de tanque adicional para as pistas com mais de 500km de percurso.

Sistema

Elétrico

Esboço da planta elétrica e injeção eletrônica provisória Motec do modelo GM Celta.

Todo o restante indefinido.

Outros Trambulador do câmbio, pedais, suporte do tanque e motor, etc.

Portas, carenagem, pára-brisa, suportes em geral.

Tabela 01 – Status de Projeto dos Principais Componentes do Veículo.

Além disso, na etapa de projeto descrita no relatório anterior foi feita uma

migração de software CAD, utilizando modelagem por sólidos parametrizados ao invés

de wireframes, análises de tensão na balança de suspensão dianteira inferior e em

algumas outras estruturas críticas.

Várias simulações dinâmicas foram executadas para encontrar a melhor posição

da caixa de direção, as quais foram procedidas de forma a atenuar ao máximo o efeito

da convergência das rodas ao longo do curso da suspensão (bumper steering) [10].

Por fim, o suporte do motor e seus coxins foram projetados. Considerando que o

acoplado ao motor existe a transmissão (caixa de marchas, diferencial e semi-eixos), a

posição deste conjunto está diretamente ligada aos valores pretendidos de bitola e

entre eixo, o que será mais bem abordado adiante [07].

2. Cronograma

Esta etapa é parte está integrada ao cronograma apresentado no primeiro

relatório do projeto e pode ser visualizado no ANEXO II [02] [13].

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3. Trabalho Desenvolvido

Finalização do chassi.

O chassi segue os padrões de homologação da FIA. Existe, para tanto, uma

espécie de memorial descritivo, publicado anualmente pelo órgão, que documenta uma

série de itens que devem ser respeitados para atender a homologação [15]. Estes itens

visam padronizar várias características técnicas dos veículos de acordo com as

categorias e, sobretudo, adequá-los a critérios fundamentais de segurança.

A homologação regulamenta componentes de quase todos os subsistemas do

veículo, entretanto é na confecção do chassi tubular que ela mostra-se mais definitiva.

O trecho abaixo é um exemplo das possibilidades oferecidas pela regra para confecção

de determinada parte do chassi:

8.3 Especificações 8.3.1 – Estrutura de base A estrutura de base deverá ser composta por uma das seguintes formas: *1 arco principal + 1 arco dianteiro + 2 membros longitudinais + 2 membros de prolongamento traseiro + 6 pontos de fixação (desenho 253-1); Ou *2 arcos laterais + 2membros longitudinais + 2 membros de prolongamento traseiro + 6 pontos de fixação (desenho 253-2); Ou *1 arco principal + 2 semi-arcos laterais + 1 membro transversal + 2 membros de prolongamento traseiro + 6 pontos de fixação (desenho 253-3)

Desta maneira havia sido projetada a estrutura principal do habitáculo, bico e

traseira, mas faltavam ainda vários travamentos secundários exigidos pela regra. A

figura 01 fornece uma idéia da modelagem do arranjo final do chassi a que se chegou.

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Figura 01 – Modelagem final do chassi.

Inúmeros outros itens foram agregados ao chassi. Primeiramente foram

inseridas peças como o suporte dos cilindros de freio e dos pedais (também

confeccionados sob medida), a torre da alavanca de marcha, as guias do trambulador

(que vai da alavanca ao câmbio), os suportes para coluna de direção, painel, relógios

do odômetro, rádio comunicador, GPS, road map (equipamento utilizado para mostrar o

roteiro de navegação fornecido pela organização), entre outros.

Ao bico também tiveram que ser adicionados suportes para alguns

componentes, como a bateria, o reservatório de água do esguicho do pára-brisa, a

caixa de fusíveis (foi fabricada especialmente uma caixa de alumínio, vedada, para

comportar os fusíveis) e um guincho elétrico para reboque.

Alguns dos elementos citados podem ser vistos na figura 02 .

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Figura 02 – Imagens dos Acessórios, Componentes

e seus Respectivos Suportes Acoplados ao Bico

(Acima) e ao Interior do Veículo (à Direita).

Posteriormente o habitáculo foi fechado e vedado. A escolha foi por chapas de

aço de 0,5mm soldadas entre os tubos. Esta opção não era a mais adequada, mas foi

escolhida por ser a mais rápida e simples, face aos curtos prazos. Seu grande

contraponto – o forte acréscimo de massa – era compensado pelo fato do protótipo

estar com o peso estimado ainda bastante aquém do peso mínimo permitido.

Suspensão traseira.

O modelo de suspensão traseira eleito foi o semi-trailing arm [14]. Esta escolha

foi efetuada vários motivos. Trata-se de um tipo de suspensão independente que

possibilita variação de câmber com o curso da suspensão, é robusta e amplamente

utilizada em veículos do gênero. A implementação deste layout depende do espaço na

traseira, limitado pela ocupação do motor.

O motor possui acoplado em si a caixa de câmbio e ambos, somados ao

diferencial, semi-eixos e juntas homocinéticas, serão chamados de trem de força

(powertrain). A posição deste conjunto depende dos valores desejados de bitola, entre-

eixos, dos limites do curso e ângulo de trabalho das juntas homocinéticas [10].

O suporte do motor e os coxins foram fabricados, soldados e aparafusados no

chassi de forma a posicionar o trem de força de acordo com as medidas de projeto dos

parâmetros anteriormente citados. O que demandou tempo e esforços

demasiadamente amplos, como já mencionado no primeiro relatório. Adicionalmente

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estes componentes limitaram drasticamente o espaço destinado ao conjunto da

suspensão; como era de se esperar.

Foi escolhido o mesmo conjunto de pneu e roda do eixo dianteiro [16]. Esta roda

possui um off-set de 36 mm positivo, isto significa que a face da roda que a prende no

conjunto do cubo está deslocada de 36 mm do seu plano médio longitudinal no sentido

centro-periferia do veículo. Este valor de off-set faz com que o braço da suspensão

tenha que alcançar mais fundo na roda, limitando suas dimensões e aumentando os

esforços de torção no conjunto. Não foram encontradas rodas com off-set menor que

se encaixassem na furação do cubo utilizado [19].

Para o dimensionamento das balanças de suspensão inicialmente foi feito um

esboço da posição dos pontos de articulação das balanças. Um software de análise

dinâmica de suspensão foi utilizado para orientar este posicionamento. Dois

parâmetros foram cuidadosamente observados: a variação do ângulo de câmber ao

longo do curso da suspensão e a variação do parâmetro anti-squat, ou anti-

agachamento, que trata da transferência de carga longitudinal no veículo durante uma

aceleração [07] [10] [14].

Depois de vários arranjos das posições chegou-se a uma solução satisfatória,

cujos gráficos finais podem ser observados na figuras 03 .

Figura 03 – Variação do Ângulo de Câmber (em Graus) e de Anti-Squa t (em %) ao Longo do Curso

da Suspensão Traseira (em mm).

Dadas as posições de projeto, espaço para movimentação e limites de curso, as

balanças foram projetadas e fabricadas. Houve ainda um estudo sobre a posição dos

amortecedores. Estes tiveram sua articulação inferior fixada o mais próximo possível do

centro da roda traseira, traçou-se então a trajetória deste ponto ao longo do curso da

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suspensão (uma curva). Considerando que as molas trabalham mais tempo em

compressão foi estabelecido um ponto médio de trabalho nesta trajetória, dele o

amortecedor partiu tangencialmente (perpendicular ao braço da balança) e assim foi

fixada a articulação superior do amortecedor no chassi. O resultado de todo arranjo

pode ser visto nas figura 04 .

Figura 04 – Conjunto da Suspensão Traseira.

Redução final da transmissão

Por ser a caixa de marchas acoplada ao bloco do motor, as relações de

transmissão deviam ser compatíveis. Depois de uma comparação entre os câmbios da

GM optou-s pela caixa F16 e o motivo principal foi que este possuía a velocidade

menor velocidade final possível para a 5ª marcha. Em virtude das médias de

velocidade da competição (70km/h), corria-se o risco de não se utilizar a 5ª marcha se

sua velocidade de operação fosse a mesma de um Astra de passeio, por exemplo. A

solução veio acoplada à escolha da redução final (engrenagem diferencial). As tabelas

02 a 05 mostram os dados do conjunto escolhido, e a figura 05 mostra o gráfico da

velocidade final máxima em função da rotação do veículo [11]. Um comparativo entre

os câmbios da GM estudados pode ser visto no ANEXO I.

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Engine data full power 6000 peak torque 3500 idle 1000 Vehicle data Axle ratio 4,17 Rolling radius 0,365 gvw 1230 gears ratios see chart constant 0,376992

Tabela 02 – Dados Gerais do Motor e do

Veículo.

Vehicle speed x engine RPM F18 gear speed RPM Queda

9 1000 1 56 6000 54 3590 -2410 2 90 6000 87 3508 -2492 3 150 6000 145 4938 -1062 4 176 6000 171 4625 -1375 5 222 6000

Tabela 03 – Velocidade x Rotação para Cada Marcha.

F18 Gears in/out line countershaft ratios Pilot 26 37 1,42 1st 44 14 4,47 2nd 37 23 2,29 3rd 30 29 1,47 4th dir dir 1,00 5th 27 53 0,72

Tabela 04 – Razão Entre os Diâmetros do Pinhão e Coroa

de Cada Marcha.

gears ratios Steps 1st 3,550 for previus gear

2nd 2,190 1,62 3rd 1,320 1,66 4th 1,120 1,18 5th 0,890 1,26

Tabela 05 – Relações das Marchas.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 50 100 150 200 250

Km/h

RP

M

Figura 05 – Velocidade Máxima x Rotação do Motor.

Finalização da traseira

Diversos componentes precisaram ainda ser instalados na parte traseira do

veículo, principalmente elementos do motor como linhas e bombas de combustível

(foram usadas duas em paralelo de forma redundante), coletor de admissão, filtro de ar

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(que recebeu um restritor de 30 mm de diâmetro – de acordo com o regulamento [15]),

reservatório da água do radiador, suporte para unidade de comando da injeção,

suporte da antena do radio transmissor, suporte e pranchas para desatolamento, etc.

Em uma prova com a extensão do Rally dos Sertões o conforto do piloto é um

fator que influi significativamente no seu desempenho. Considerando o clima quente

das regiões onde será disputado e a alta resistência térmica das roupas e assessórios

que o piloto deve usar, optou-se pela instalação de um sistema condicionamento de ar

veicular. Desta forma, além das demais peças do sistema (compressor, difusor de ar,

evaporador, serpentina, etc.), o condensador do ar condicionado foi adicionado ao

trocador de calor do radiador.

Este conjunto de trocadores foi instalado de forma inclinada na parte superior

traseira do veículo, um túnel para tomada de ar foi desenvolvido sobre o teto do

veículo para promover a circulação forçada de ar nos trocadores e sobre o motor (como

pode ser visto na figura 06 ). Desde os primeiros testes esta montagem mostrou um

desempenho excelente.

Figura 06 – Posição dos Trocadores de Calor e Tomada de ar.

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Pneu reserva e caixa de ferramentas

Segundo o regulamento são obrigatórios dois pneus reservas [15]. Como o

protótipo é um monoposto, aproveitou-se o espaço nas laterais para prendê-los. Foi

criado um suporte simples, robusto e de fácil acesso que deixa os dois pneus reserva

em uma posição bastante próxima do centro de gravidade do caro e ainda serve como

proteção em caso de uma colisão lateral, visto que esta região é onde se registram a

maior parte das colisões leves em curvas.

Adicionalmente, em cada espaço lateral foi projetada uma caixa de ferramentas,

para levar macaco, jogo de chaves, água potável, e demais acessórios. Os pneus

reservas e caixas de ferramenta podem ser vistos na figura 07 .

Carenagem

Tal qual foi comentado no relatório anterior, o veículo deveria competir com uma

carenagem (bolha) do modelo GM S10. Foi fabricado então em fibra de vidro um capô

e duas laterais que lembrassem uma S10. Também foram criadas carenagens para a

tomada de ar do teto e do coletor de admissão. O resultado do protótipo inteiramente

pronto também pode ser visto na figura 07 e no ANEXO III.

Figura 07 – Pneu Reserva e Caixa de Ferramentas.

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Sistema Elétrico

O sistema elétrico do veículo foi então instalado. Cabos, conectores, faróis,

lanternas, odômetros, sensores, tudo de acordo com o regulamento e com os requisitos

de projeto. Além do regulamento foi respeitada a legislação de trânsito, porque o

protótipo deve ser emplacado para trafegar nas ruas como um carro comum.

Distribuição de peso

Depois de finalizado pôde-se obter alguns dados em relação à distribuição de

massa no final no veículo. Foi colocada uma balança em cada roda e, como era de se

esperar, cada balança lia um peso diferente. Considerando que a carga nas rodas do

mesmo eixo sejam igualadas com lastro, foi calculado o centro de gravidade no plano

horizontal, valores ilustrados na figura 08 . A distribuição de massa obtida foi de 62%

para o eixo traseiro, resultado que não fugiu das expectativas [07] [10] [11].

Figura 08 – Representação da Distribuição de Massa do Off Runner.

Para medir a massa suspensa e não suspensa [10] procedeu-se da seguinte

forma: foi desrrosqueado o batente de mola que estabelece a pré-carga no conjunto do

amortecedor, deixando as molas em seu comprimento livre, mas ainda montadas no

amortecedor; com o auxilio de um macaco hidráulico o corpo do veículo foi erguido na

posição de andar (visto que as molas já não o suspendiam mais); e foi medida a reação

em cada roda por meio de balanças individuais. O resultado desta medição é a massa

não suspensa do veículo, que diminuída da massa total fornece a massa suspensa. O

resultado (considerando a equalização por meio de lastros) está ilustrada na figura 09 .

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Figura 08 – Representação da Distribuição de Massa do Off Runner.

Cada amortecedor dianteiro foi equipado com duas molas, uma de 250 lbf/pol² e

outra de 175 lbf/pol², resultando em uma rigidez equivalente de 103 lbf/pol².

Considerando a massa suspensa sobre as rodas dianteiras, cada metade desta

suspensão possui uma freqüência natural de 1,61 Hz [05]. Já a suspensão traseira foi

equipada com duas molas (500 lbf/pol² e 400 lbf/pol²) em cada amortecedor, resultando

em uma rigidez equivalente de 222,2 lbf/pol² e uma freqüência natural de 1,83 Hz [05].

TESTES

Com todos os elementos básicos do veículo montados, foram realizados os

primeiros testes em uma pista de rally. Prezou-se por rodar bastante quilometragem e

andar pelos terrenos mais acidentados. Depois de mais de 170 km percorridos em

duas pistas diferentes, chegou-se a alguns resultados e conclusões.

O carro possui uma excelente relação peso potência, de modo que mesmo com

a maior parte do peso no eixo traseiro, os pneus escorregam constantemente (tanto em

subidas quanto em terrenos com pisos mais aderentes), mostrando que é necessário

um pneu com maior aderência. Foi então escolhido um pneu com as mesmas medidas

do inicial, porém com garras maiores na banda de rodagem, o Goodyear 235/75R15

RT (os anteriores são AT/S) [16]. Isto melhorou significativamente a aderência.

Logo nos primeiros testes a suspensão comportou-se bem, confirmando que não

havia necessidade de barra estabilizadora na traseira. Várias regulagens mais finas

foram então executadas, como a variação dos sets de válvulas e da pressão do

nitrogênio nos amortecedores até chegar a uma configuração melhorada [05]. Porém a

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suspensão dianteira mostrou-se muito rígida, era preciso mudar o coeficiente das

molas.

A mola de 175 lbf/pol² da suspensão dianteira foi então substituída por uma de

200 lbf/pol², resultando em uma rigidez equivalente de 111,1 lbf/pol². Esta configuração

melhorou bastante o comportamento do veículo e a freqüência natural atingiu 1,67 Hz

(ligeiramente maior) [05].

Com relação à suspensão, ainda houve outro problema. A haste do amortecedor

traseiro empenou, (figura 09 ). Observando o curso de trabalho do amortecedor nota-se

que este é submetido a vários esforços de flambagem [08], este foi o mais provável

motivo da falha. Modificar a posição do amortecedor às vésperas da competição era

inviável, por este motivo optou-se por aumentar o diâmetro da haste do amortecedor,

de 14 para 22 mm. Em virtude do tempo esta modificação só seria testada na corrida.

Durante os testes mais intensos o tanque de combustível, feito de alumínio,

apresentou diversos vazamentos devido à fadiga da estrutura. Um novo tanque foi

fabricado de aço inoxidável (SAE 304 [03]). Além disso, considerando que consumo

medido na pista (3 km/l) foi praticamente a metade do consumo esperado, resolveu-se

fabricar um tanque auxiliar com capacidade de 26 litros que podia ser acoplado ao

veículo para as provas de maratona (acima de 500km de extensão).

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[08] HIBBELER, R.C. Resistência dos Materiais. 5ª Ed. São Paulo: Prentice Hill,

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[12] NORTON, R. L. Projeto de Máquinas . 2ª Ed. São Paulo: Booknew, 2004.

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http://auto.howstuffworks.com/disc-brake.htm>. Acesso em: 08 Julho 2008.

[19] Rodas Scorro. Manual Técnico . Disponível em <

http://www.scorro.com.br/manual.html >. Acesso em: 10 Agosto 2008.

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5. ANEXOS

Anexo I – Comparativos de Câmbios GM

Astra 1.8 Astra 2.0 Astra 2.0 16V F17 plus

ratios Steps ratios Steps ratios Steps 3,730 for previus gear 3,580 for previus gear 3,730 for previus gear

1,960 1,903 2,020 1,772 1,960 1,903 1,320 1,485 1,350 1,496 1,320 1,485 0,950 1,389 0,980 1,378 0,950 1,389 0,760 1,250 0,810 1,210 0,760 1,250

Astra SS Vectra GLS 99 2.2 mpfi F23

ratios Steps ratios Steps ratios Steps 3,730 for previus gear 3,580 for previus gear 3,580 for previus gear

1,960 1,903 2,140 1,67 2,020 1,772 1,320 1,485 1,480 1,45 1,350 1,496 0,950 1,389 1,120 1,32 0,980 1,378 0,760 1,250 0,890 1,26 0,810 1,210

rpm Redução Fixa 4,17 gear 1.8 2.0 2.0 16V F17 plus Astra SS vectra GLS 99 2.2 mpfi F23 vectra GLS 99 2.2 mpfi

1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 3058 3284 3058 3058 3479 3284 3479 2 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 3920 3890 3920 3920 4025 3890 4025 3 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 4189 4225 4189 4189 4404 4225 4404 4 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000 4656 4810 4656 4656 4625 4810 4625 5 6000 6000 6000 6000 6000 6000 6000

speed Redução Fixa 4,17 gear 1.8 2.0 2.0 16V F17 plus Astra SS vectra GLS 992.2 mpfi F23 vectra GLS 99 2.2 mpfi

9 10 9 9 10 9 9 1 56 59 53 56 62 55 55 54 57 51 54 60 54 53 2

107 104 101 107 103 98 92 104 101 98 104 100 95 89 3 159 155 149 159 149 147 133 154 151 145 154 145 142 129 4 221 214 207 221 197 202 176 214 207 201 214 191 196 171 5 276 259 259 276 248 244 221

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Anexo II – Cronograma

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Anexo III – Imagens do Protótipo Finalizado