PSI5121 - Sistemas Automotivos (2023)

Figura 1: Rinspeed sQuaba, o veículo hibŕido do agente  007.

Introdução

O Rinspeed sQuba, inspirado pelo Lotus Esprit do filme de James Bond "O Espião Que Me Amava", é um veículo conceitual que marca um avanço significativo no design automotivo. Este carro se destaca por sua capacidade anfíbia, operando tanto em terra quanto subaquaticamente, exemplificando uma simbiose perfeita entre os domínios terrestre e aquático. Notavelmente, o sQuba utiliza motores elétricos, alinhando-se à crescente tendência de eletrificação na indústria automobilística e enfatizando a importância da sustentabilidade. Essa escolha de propulsão não apenas minimiza as emissões de carbono, mas também ressalta a busca contínua por tecnologias de transporte mais limpas. O design do sQuba aborda desafios específicos de operação em ambientes aquáticos, como a resistência à salinidade e à pressão subaquática. Em uma perspectiva acadêmica, o sQuba é uma manifestação dos sonhos e aspirações humanas, demonstrando que desafios aparentemente insuperáveis podem ser enfrentados e superados na engenharia, transformando ideias audaciosas em realidades tangíveis.

Figura 2: sQuba submergindo na água.

A Companhia

A Rinspeed é uma montadora suíça especializada em conceitos inovadores de veículos. Fundada por Frank M. Rinderknecht, ela é reconhecida por apresentar carros-conceito que desafiam as normas tradicionais da indústria automobilística. Além do já mencionado "sQuba", a Rinspeed desenvolveu uma variedade de outros veículos-conceito, como o "CitySnap", "MetroSnap" e "MicroSnap", cada um com suas características e inovações únicas. A empresa não se limita apenas ao design de carros, mas também explora novas tecnologias e soluções para o futuro da mobilidade, posicionando-se como uma pioneira em inovação automotiva.

Chassi do Lótus Elise 

O véiculo sQuba foi construído utilizando o chassi do Lotus Elise, um carro esportivo conhecido por sua leveza e agilidade. O chassi do Elise, feito de alumínio e aço, oferece resistência e durabilidade,destacando-se por sua excelente dinâmica de condução, características essenciais para a funcionalidade anfíbia do sQuba. A escolha deste chassi específico proporcionou ao sQuba uma base sólida e adaptável para suas operações tanto em terra quanto debaixo d'água.


Figura 4: Chassi do veículo Squba (Implementado sobre o chassi do Lótus Elise)

Especificações Técnicas

• Tipo de Aplicação: Luxo Esportivo (Conceitual).
• Tipo de Veículo: BEV (Veículo Elétrico a Bateria).

Motor: Três motores elétricos, sendo um para operação em terra e dois para operação na água. A figura abaixo melhor descreve as caracteristícas técnicas de cada motor. 

Dimensões e Pesos

• Comprimento: 3'785 mm
• Largura: 1'940 mm
• Altura: 1'117 mm
• Distância entre eixos: 2’300 mm
• Bitola dianteira: 1’470 mm
• Bitola traseira: 1’520 mm
• Altura livre do solo: 130 mm
• Peso vazio: Aproximadamente 920kg

Distribuição e Funcionalidade dos Motores Elétricos no Rinspeed sQuba

O véiculo contém no total 5 motores elétricos, cujo arranjo está descrito abaixo:

A) Motor Elétrico para Deslocamento Terrestre:

• Localização: Este motor está estrategicamente posicionado para otimizar a tração nas rodas traseiras do veículo.
• Potência: Possui uma potência máxima de 54 kW.
• Rotação: A rotação para atingir a potência máxima é de 4'500 /min, enquanto o torque máximo de 160 NM é alcançado a 1'500 /min.
• Bateria: Alimentado por baterias de Lítio-Íon com uma voltagem combinada de 6 x 48 Volt. Estas baterias são projetadas para fornecer energia sustentável e eficiente para deslocamento terrestre.
• Função: Este motor é responsável pela movimentação do sQuba em terra, permitindo atingir velocidades superiores a 120 km/h.

B) Motores Elétricos para Propulsão Aquática:

• Localização: Estes motores estão localizados na parte traseira do veículo, permitindo a propulsão na superfície da água.
• Potência: Cada motor possui uma potência de 800 Watt, totalizando 1.6 kW para ambos.
• Bateria: Utilizam a mesma bateria de Lítio-Íon que alimenta o motor terrestre, garantindo uma transição suave entre os modos terrestre e aquático.
• Função: Estes motores permitem que o sQuba se mova na superfície da água com uma velocidade superior a 6 km/h.

C) Motores Elétricos para Mergulho Subaquático (Direcionais):

• Localização: Estes motores estão posicionados na parte frontal do veículo, facilitando o movimento subaquático.
• Potência: Cada motor tem uma potência de 3.6 kW, fornecida pela marca Rotinor.
• Bateria: Assim como os motores de propulsão aquática, estes motores são alimentados pela mesma bateria de Lítio-Íon.
• Função: Estes motores são essenciais para a capacidade de mergulho do sQuba, permitindo que ele se desloque debaixo d'água a uma velocidade superior a 3 km/h e atinja uma profundidade máxima de 10 metros.

Um Fluxograma desta distribuição pode ser visualizado abaixo.
 

• Topologia das Baterias e Motores Elétricos 

  
  O Rinspeed sQuba utiliza uma configuração única de baterias e motores elétricos para atender às suas necessidades específicas de desempenho.

  O veículo é equipado com seis baterias de lítio-íon, cada uma operando a uma tensão de 48 volts. Estas baterias são fundamentais para alimentar os diversos motores elétricos do sQuba. Na estrada, as baterias são configuradas em série, o que aumenta a tensão total fornecida ao motor elétrico principal. Esta configuração em série permite que o veículo alcance uma eficiência otimizada e uma potência adequada para a condução em terra.

  Quando o sQuba se desloca para o ambiente aquático, a configuração das baterias muda para um arranjo em paralelo. Esta topologia em paralelo é essencial para fornecer a corrente necessária para alimentar múltiplos componentes simultaneamente, incluindo os dois propulsores traseiros para movimento na água e os dois propulsores dianteiros para mergulho.

  O sQuba utiliza um sistema de propulsão por jato de água quando está submerso. A água é puxada através de uma abertura no fundo do veículo, passa por um impulsor e é expelida para trás através de uma boquilha orientável. Esta técnica proporciona propulsão eficaz e segura, pois não há partes rotativas expostas. Além disso, o veículo conta com duas hélices na parte traseira que auxiliam na propulsão aquática e dois propulsores atrás das rodas dianteiras para direção subaquática.

  Em resumo, a topologia das baterias e motores elétricos do Rinspeed sQuba é cuidadosamente projetada para se adaptar às diferentes condições de operação do veículo, seja em terra ou debaixo d'água, garantindo desempenho e segurança ideais em ambos os ambientes.
  

Potência (5 motores elétricos):

• Motor para terra: Máxima de 54 kW.
• Motores para água (Heckpropeller): 2 x 800 Watt.
• Motores para mergulho (Bug Jetantriebe): 2 x 3.6 kW.
  
  

Desempenho:

• Velocidade máxima em terra: > 120 km/h.
• Aceleração de 0-60 km/h: 7.1 segundos.
• Velocidade máxima na água: > 6 km/h.
• Velocidade máxima subaquática: > 3 km/h.
• Profundidade máxima de mergulho: 10 metros.

Baterias:

• Tipo: Lítio-Íon.
• Tensão: 6 x 48 Volt.
  
  

Dinâmica de Direção e Propulsão do sQuba 

O sQuba, como um veículo elétrico anfíbio pioneiro, ostenta um sistema de direção único adaptado para ambientes terrestres e aquáticos. Sua transmissão, que aparentemente é automática, é projetada para alternar entre os modos de forma eficiente, garantindo uma transição suave e desempenho ótimo. As principais características deste sistema incluem: 

• Transmissão: R - N - F.

• Tipo de Tração: Tração Traseira, e alternado para propulsão em 4 ambiente subaquático (hélices + propulsores direcionais). 
  

Especificações Prováveis do Sistema de Armazenamento de Energia

Especificações Prováveis do Sistema de Armazenamento de Energia Durante minha pesquisa, percebi que detalhes específicos sobre o sistema de armazenamento de energia do sQuba não estavam abertamente disponíveis ao público. Tive o privilégio de contatar o Sr. Frank M. Rinderknecht para obter mais esclarecimentos. Ele gentilmente explicou que algumas especificações não são divulgadas devido ao status do carro como um veículo conceitual. É de suma importância reconhecer a distinção da marca Rinspeed por pioneirismo em um veículo tão inovador. O sQuba, com sua abordagem revolucionária, não apenas desafiou os paradigmas tradicionais da indústria automobilística, mas também pode ter servido de inspiração para outros fabricantes explorarem novas fronteiras. Um exemplo notável é o Tesla Roadster, que, embora tenha suas próprias inovações, também utilizou o Lotus (especificamente o modelo Elise) como base para seu design. Dito isso, as especificações listadas abaixo são apresentadas como "prováveis", baseadas no modelo Lotus Elise, que serviu como fundação para o sQuba.

Figura 7: Lótus Elise moderno e carregador elétrico

• Tecnologia de Armazenamento: Lítio-íon (Li-Ion).

• Tensão e Arranjo das Células: Informações específicas sobre a tensão e o arranjo das células (como 10s-6p, 20s-8p, etc.) não foram fornecidas.

• Parâmetros Operacionais:

  • Tensão Máxima e Mínima: Dados não especificados.
  • Corrente Máxima: Não especificada.
  • Temperatura de Operação: A faixa de temperatura de operação não foi detalhada.
  • Sistema de Arrefecimento: O tipo de arrefecimento (ativo, passivo, com ar ou outros elementos refrigerantes) não foi mencionado.
    
    

• Capacidade Energética:

  • Energia Total Armazenada: Valor em kWh não fornecido.
  • Potência Máxima de Descarga e Carga: Dados não especificados.

• Recarga:

  • Tipo de Carregador: Carregador de alta eficiência específico para baterias Li-Ion.
  • Tipo de Tomada: Tomada padrão J1772 (América do Norte) ou Tipo 2 (Europa) para carregamento AC.
  • Tensões de Recarga: Carregamento AC padrão entre 110V a 240V. Carregamento DC rápido pode variar de 200V a mais de 600V.
    
    

• Características Físicas:

  • Peso: Estimado entre 200kg a 600kg, dependendo da capacidade.
  • Distribuição no Veículo: Possivelmente em um único pacote ou múltiplos pacotes para otimização de espaço.

• Durabilidade e Custo:

  • Tempo de Vida Esperado: Entre 8 a 15 anos, dependendo do uso e manutenção.
  • Garantia: Garantias comuns para baterias de veículos elétricos variam de 8 anos ou mais.
  • Custo de Substituição: Estimado entre $5.000 a $20.000, variando com a capacidade e fabricante.

Propulsão e Direção Subaquática do Rinspeed sQuba

O sQuba da Rinspeed, além de sua notável capacidade anfíbia, apresenta um sistema de propulsão e direção subaquática distinto. Em sua operação aquática, o veículo utiliza um sistema de propulsão por jato de água, onde a água é puxada através de uma abertura no fundo do casco e forçada a passar por um impulsor, sendo posteriormente lançada para trás através de uma boquilha orientável. Esta técnica não apenas garante uma propulsão eficaz, mas também oferece segurança adicional, pois não há partes rotativas expostas sob o casco. Além disso, o sQuba está equipado com duas hélices localizadas na parte traseira, responsáveis pela propulsão na água, e dois propulsores atrás das rodas dianteiras, que controlam a direção quando submerso. Estas características técnicas demonstram o compromisso da Rinspeed em desenvolver um veículo que não apenas opera eficientemente em terra, mas também oferece uma experiência subaquática inigualável.

Figura 8: Acima, propulsores frontais direcionais (noozles) de 3.6 Kw e, abaixo, hélices traseiras (800 Watts/cada) do sQuba para geração do Impulso subaquático.

Direção Autônoma 

O sQuba foi concebido com uma perspectiva visionária sobre o futuro da mobilidade, integrando tecnologias de condução autônoma. Já em 2008, o veículo estava equipado com sistemas avançados, como o scanner a laser Ibeo LUX, que possibilitava a detecção de obstáculos e navegação autônoma em terra, além de oferecer uma variedade de funcionalidades dos Sistemas Avançados de Assistência ao Condutor (ADAS).

Figura 9: Comutador para Piloto Automático

A confiabilidade e eficácia do scanner a laser Ibeo LUX foram ainda mais evidenciadas no Darpa Urban Challenge, onde foi utilizado nos três principais carros autônomos vencedores.

Suspensão

 

A suspensão do sQuba é feita de aço inoxidável, uma escolha que combina durabilidade com resistência à corrosão, essencial para um veículo que opera em ambientes aquáticos. O design da suspensão, denominado "Doppeldreiecklenker" ou "Double wishbone", garante uma condução suave e estável, independentemente do terreno ou da superfície da água.

Instrumentação e Unidade de Controle

O painel de instrumentos e a instrumentação do sQuba, fabricados pela VDO, são à prova d'água e resistentes à pressão.


Figura 10: Painel a prova d'água.

Design Sustentável e Ecologia

• Materiais Recicláveis: O sQuba é construído usando uma variedade de materiais recicláveis. Isso não só reduz o impacto ambiental do veículo, mas também demonstra o compromisso da Rinspeed com práticas de fabricação sustentáveis.

• Iluminação LED Eficiente: O sQuba incorpora iluminação LED, conhecida por sua eficiência energética e longa durabilidade. Ao utilizar LEDs, o veículo não apenas garante o uso otimizado da bateria, mas também destaca a essência ecológica de seu design.
  

• Lubrificante Biodegradável: O veículo utiliza uma graxa biodegradável para todas as suas funções de lubrificação, demonstrando o compromisso da empresa em minimizar o impacto ambiental.
  

• Emissão Zero: O carro é movido por energia elétrica, o que significa que não emite poluentes nocivos para o ambiente. Isso o torna uma escolha ecológica para aqueles que estão preocupados com a redução de sua pegada de carbono.

• Design Eficiente: O design do sQuba é otimizado para eficiência, garantindo que o veículo consuma a menor quantidade de energia possível durante a operação. Isso é essencial para garantir que o carro seja não apenas ecológico, mas também econômico para operar.
  
  
  Figura 11: Compromisso sustentável: a iniciativa ecológica da sQuba
  
  

Parceiros do Projeto sQuba:

O projeto sQuba é uma realização grandiosa e complexa que só foi possível graças à colaboração de diversos parceiros especializados. Cada um deles trouxe sua expertise única para tornar este veículo subaquático uma realidade. Aqui estão alguns dos principais parceiros e suas contribuições:

• Esoro: Especialista em engenharia e produção, desempenhou um papel crucial na materialização do conceito sQuba.

• KW automotive GmbH: Fornecedora líder de sistemas de suspensão, garantiu que o sQuba tivesse uma condução suave tanto em terra quanto na água.

• Strähle+Hess: Contribuiu com materiais de alta qualidade para o interior do veículo, garantindo conforto e durabilidade.

• Weidplas GmbH: Especializada em componentes plásticos avançados, ajudou a dar forma e funcionalidade ao design do sQuba.

• AEZ Leichtmetallräder AG: Fornecedora das rodas de liga leve, combinando estética e performance.

• Harman: Líder em sistemas de áudio e infotainment, proporcionou uma experiência sonora superior e conectividade no sQuba.

• VDO: Responsável pela instrumentação precisa, garantindo que os motoristas tenham todas as informações essenciais à mão.

• Seabob: Especializada em propulsão subaquática, foi essencial para a capacidade de mergulho do sQuba.

• Linde: Pioneira em tecnologia de célula de combustível, trouxe uma abordagem sustentável para o funcionamento do veículo

• Pirelli: Líder mundial em pneus, a Pirelli forneceu soluções de tração especializadas, otimizando a performance do sQuba em diversas condições.

• Foliatec: Especializada em personalização automotiva, a Foliatec possivelmente contribuiu com acabamentos e detalhes estéticos para o sQuba.

• LeasePlan (Switzerland) AG: Como líderes em gestão de frotas e leasing, a LeasePlan apoiou o inovador conceito sQuba, reforçando sua visão futurista.

• HS Genion GmbH: A HS Genion aplicou sua expertise em módulos e componentes móveis, focando em aerodinâmica e gerenciamento de carga. Eles adaptaram inovações para atender aos padrões do sQuba, incluindo sistemas de refrigeração e mecanismos de armazenamento.

Cada um desses parceiros trouxe sua expertise e inovação, tornando o sQuba um marco no mundo automotivo.


Figura 12: Componentes do veículo anfibío.

A inovação e a experiência de cada parceiro fizeram da sQuba um marco na história automotiva.

Informações Adicionais

• Suspensão:
  • Frente e traseira: Doppeldreiecklenker (Double wishbone).
• Pneus:
  • Frente: Pirelli P Zero 205/40 R17.
  • Traseira: Pirelli P Zero 225/40 R18.
• Outras Características:
  • Fornecimento de ar para mergulho: 1 x 15 litros + 1 x 18 litros da ScubaPro.
  • Scanner a laser: Ibeo (Modo Autônomo).
  • Lubrificantes: Motorex (Biodegradável).

Figura 13: Cilindros de oxigênio para uso subaquático.

Figura 14:  Laser Scanner  da Ibeo para modo de piloto automático.

• Número de Assentos:
  • 2 Assentos.
    

• Autonomia:
  
  

  Em Terra: Estima-se que o sQuba possa percorrer entre 100 a 144 km, com base em um consumo estimado de 44 kWh.

  Subaquático: O veículo pode operar por mais de 3 horas embaixo d'água. No entanto, é importante notar que os tanques de oxigênio fornecem suprimento por aproximadamente 2 horas.

• Preço do Protótipo:
  • 1.5 milhões US$. 
    
    
• Motores a combustão interna (ICE): Não possui um motor a combustão, é totalmente elétrico.
  
  
  Figura 15: Veículo navegando sob água.
  
  

Vídeo Demonstrativo

Aluno: Marcus Vinícius Leal de Carvalho (Doutorado Engenharia de Sistemas Eletrônicos)
Orientador: Prof. Leopoldo Rideki Yoshioka

Referências 

Websites e artigos onlines:

1. Rinspeed. (n.d.). sQuba - Technical Data. Retrieved from https://www.rinspeed.com/upload/conceptfiles/technical_data_squba.pdf
2. Rinspeed. (n.d.). sQuba. Retrieved from https://www.rinspeed.com/en/sQuba_30_concept-car.html#mehrlesen
3. Wikipedia. (n.d.). Rinspeed sQuba. Retrieved from https://en.wikipedia.org/wiki/Rinspeed_sQuba
4. Tuningblog.eu. (n.d.). Unterwasserfahrzeug. Retrieved from https://www.tuningblog.eu/kategorien/tuning-wiki/unterwasserfahrzeug-284722/
5. Graphic News. (n.d.). sQuba Amphibious Car. Retrieved from https://www.graphicnews.com/en/pages/22223/motoring-squba-amphibious-car
6. MotorBiscuit. (n.d.). The sQuba Car Can Go Underwater. Retrieved from https://www.motorbiscuit.com/the-squba-car-can-go-underwater/
7. NetCarShow. (n.d.). Rinspeed 2008 sQuba Concept. Retrieved from https://www.netcarshow.com/rinspeed/2008-squba_concept/#8
8. Car Magazine. (2009). Rinspeed sQuba (2009) Review. Retrieved from https://www.carmagazine.co.uk/car-reviews/rinspeed/rinspeed-squba-2009-review/
9. The Sands Mechanical Museum. (n.d.). Lotus Elise - Strategic Review. Retrieved from http://sandsmuseum.com/cars/elise/information/misc/strategic/strategic.html

Research Papers:

1. Amaya Solís, J. M. (2018). DISEÑO DE LOS MÓDULOS DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA PARA UN PROTOTIPO DE VEHÍCULO ANFIBIO. Universidad Nacional Mayor de San Marcos.
2. Zhang, Y., et al. (2019). Research Overview of Amphibious Platform Driving Device. IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 252 032152.
3. Li, F. (2011). International City Traffic Congestion Based Analysis and Countermeasures Research. Zhangjiakou City, Hebei Province, China.

Créditos de imagens e informações primárias:

Todas as imagens e informações primárias do veículo sQuba são creditadas a Rinspeed's official website.