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UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDO Engenharia Mecnica
Disciplina MEC041 - Trabalho Final de Graduao II
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PROJETO DE BARRA ESTABILIZADORA TRASEIRA PARA O VECULO BAJA
SAE
Autor 1 Alessander Specht Schmitz
[email protected]
Autor 2 Prof. Dr. Mrcio Walber
[email protected]
Comisso Examinadora Guilherme Reschke do Nascimento, Nilson Luiz
Maziero
RESUMO
O projeto Baja SAE um programa estudantil da SAE Brasil, que
promove uma competio onde desafia os estudantes de engenharia
atravs da simulao de um caso real de desenvolvimento de um veculo
off-road. Este trabalho tem como propsito projetar a barra
estabilizadora traseira do Baja SAE, levando em considerao o
regulamento imposto pela SAE Brasil e os conceitos automobilsticos.
Realizou-se uma anlise da dinmica do carro, utilizando todos os
parmetros originais do prottipo atual para conseguir valid-lo no
software CarSim Mechanical Simulation, ento acrescentou-se os novos
parmetros da barra estabilizadora e estudou-se como o carro se
comporta dinamicamente. Buscou-se melhorias no projeto da barra
estabilizadora traseira de acordo com a dinmica do veculo,
deixando-o mximo oversteer possvel sem comprometer a capacidade de
amortecimento do veculo e o funcionamento dos demais sistemas.
Palavras chave: barra estabilizadora; sistema de suspenso; Baja
SAE.
1 INTRODUO
A maioria dos veculos de competio seguem tendncias dinmicas
oversteer, pelas vantagens de pilotagem que essa caraterstica
oferece. Sendo possvel retomar o controle do automvel numa possvel
sada de curva ou diminuir o raio de curvatura quando se faz o carro
esterar.
O veculo Baja SAE por ser um carro de competio off-road,
desenvolvido para ser extremamente oversteer, onde tais
caractersticas so indispensveis para executar todas as provas
dinmicas que o veculo submetido na competio realizada pela SAE
Brasil, Sociedade de Engenheiros da Mobilidade.
Para fabricar o veculo Baja SAE, necessrio respeitar o
regulamento imposto pela SAE Brasil, que diz ser padro o motor
utilizado em sua competio, bem como reduzir drasticamente o nmero
de peas de todos os sistemas do carro. Levando em considerao que
todos os carros tenham a mesma potncia, indispensvel ter um carro
leve e uma boa transmisso para poder transferir essa potncia para
as rodas. O papel da suspenso em absorver os impactos e minimizar
os esforos sobre o carro tambm fundamental para a durabilidade dos
componentes, desempenho do carro e comodidade do piloto.
Contudo, o comportamento dinmico do veculo indispensvel e
essencial para desenvolver uma performance elevada. Nesse
comportamento entra a barra estabilizadora traseira, pois com ela
pode
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elevar o nvel oversteer do carro, aumentando a rigidez traseira
fazendo com que os pneus traseiros saturem antes. Logo, o Baja SAE
ir sair mais de traseira diminuindo o raio de curva, podendo tambm
baixar a frequncia dos amortecedores. Fazendo com que ajude a
superar os obstculos e adversidades impostas pela competio.
1.1 Objetivos Gerais e Especficos
O objetivo geral desenvolver o projeto e anlise dinmica da barra
estabilizadora traseira para o veculo Baja SAE da Universidade de
Passo Fundo, respeitando o regulamento imposto pela SAE Brasil.
J os objetivos especficos so os seguintes:
Reviso bibliogrfica sobre pneu, dinmica veicular, transferncia
de carga, eixo de rolagem, suspenso, direo e barra
estabilizadora;
Selecionar o material adequado para a barra estabilizadora;
Selecionar o tipo de mancal adequado para a barra
estabilizadora;
Projetar e calcular o sistema da barra estabilizadora;
Analisar dinamicamente o conjunto funcional do carro, com nfase
no sistema da barra estabilizadora. 2 REVISO BIBLIOGRFICA
Neste captulo apresentada a reviso da literatura sobre os
assuntos necessrios para realizar o projeto de uma barra
estabilizadora.
2.1 O veculo Baja SAE
O veculo Baja SAE, daqui por diante tratado somente como Baja,
construdo por alunos de engenharia, impulsionados pelo desafio
proposto pela SAE Brasil, de projeto e construo de um veculo
off-road de chassi tubular, para uma pessoa, seguindo as normas
propostas no regulamento da competio.
O atual Baja da equipe Mas Baja Tch da Universidade de Passo
Fundo, o qual ir fornecer parmetros para o projeto da barra
estabilizadora, tem aproximadamente 157kg, suspenses do tipo duplo
A, transmisso por CVT com caixa de
reduo e caractersticas oversteer. O croqui do veculo apresentado
na Figura 2.1.
Figura 2.1 Croqui do veculo Baja SAE da UPF A atual suspenso
traseira do tipo duplo A, onde utiliza amortecedores da Fox Float R
17, tubos de Ao SAE 4130 para as bandejas, mangas de eixo e cubos
de Alumnio 7075-T6. A massa total no suspensa da suspenso traseira
de 29,8kg. Entretanto a atual suspenso traseira, demonstrada na
Figura 2.2, no apresenta barra estabilizadora, o que a proposta
deste trabalho.
Figura 2.2 Conjunto da suspenso traseira atual
2.2 Pneu
Componente de alta importncia para um automvel. Sua funo
principal estabelecer a ligao entre o veculo e solo mantendo-o com
estabilidade durante a dirigibilidade, sendo um dos componentes
mais complexos do carro. Para simplificar o estudo de como o pneu
trabalha, pode-se limitar a anlise as suas caractersticas de
entrada e sada, j que esses so os fatores mais importantes que
afetam o seu comportamento [ADAMS, 1992].
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2.2.1 Trao do pneu versus carregamento
necessrio saber como o pneu traduz a entrada em sada para
entender como um carro ir se comportar. Ou seja, precisa-se saber
como as mudanas no carregamento vertical (entrada) afetam a trao
(sada).
A relao entre a entrada do pneu e as foras de sada diferente
para cada pneu, pois a relao muda drasticamente com a mudana no
carregamento vertical. Essa mudana na relao a maior razo porque o
estudo do comportamento de um carro frequentemente confuso.
A relao entre o carregamento vertical e a trao para qualquer
pneu est continuamente mudando, a interao entre os dois ir seguir
uma curva. Pneus diferentes iro ter curvas de performance com
formatos e valores diferentes, mas todos tero uma curva que resulta
em aumentos menores na trao a medida que aumenta o carregamento
vertical, essa perda de trao relativa denomina-se perda de
eficincia lateral do pneu.
A quantidade de trao disponvel de qualquer pneu dependente de
quanto peso est sobre ele. Quando o peso aumentado, a trao tambm
aumenta. Entretanto, possvel ver como a eficincia lateral do pneu
diminui com o aumento do carregamento vertical [ADAMS, 1992].
Conforme demonstrado na Figura 2.3.
Figura 2.3 Fora lateral versus carregamento (Fonte: Adaptado de
Milliken e Milliken, 1995)
2.2.2 Aderncia e escorregamento
Nicolazzi (2008) comenta que, para que um pneu possa transmitir
uma fora longitudinal atravs da superfcie de contato com a pista,
como uma fora de trao, necessrio que ocorra um certo movimento
relativo entre pneu e pista, a velocidade tangencial do pneu
tracionante maior que a velocidade do prprio veculo. exatamente
devido a esses movimentos relativos, bem como a deformao da sua
estrutura, que os pneus flexveis conseguem transferir cargas muito
maiores ao solo que os pneus rgidos e macios. Logo, pode-se dizer
que somente existe aderncia com escorregamento. Conforme ilustrado
na Figura 2.4.
Figura 2.4 Coeficiente de atrito () versus percentual de
escorregamento (%), em alguns tipos
de pista em variadas condies (Fonte: Nicolazzi, 2008)
2.2.3 Crculo de Kamm
Segundo Smith (1978), o crculo de Kamm tambm conhecido como
crculo de trao, baseado no fato que um pneu tem somente uma certa
quantidade de trao em qualquer tempo. Essa quantidade total de trao
dependente do peso no pneu, das condies de pista, condies de tempo,
etc. O crculo de Kamm mostra como essa quantidade total de trao
distribuda entre as foras laterais e as foras de acelerao e
frenagem. Logo, a quantidade de fora lateral disponvel para um pneu
ir ser diminuda por qualquer quantidade de trao total tambm usada
para acelerao ou frenagem.
O crculo de trao mostra que qualquer pneu tem somente uma
quantidade de trao, essa quantidade de trao pode ser apontada em
qualquer direo, mas se qualquer dela for usada para acelerao ou
frenagem, menos estar disponvel nas curvas. Como representado na
Figura 2.5.
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Figura 2.5 Crculo de Kamm, mostrando o veculo acelerando
enquanto vira a direita
(Fonte: Adaptado de Smith, 1978)
2.3 Conceitos de dinmica veicular
Segundo Adams (1992), existem trs principais fatores que definem
um carro dinamicamente, posio do CG, magnitude do CG e momento
polar de inrcia.
Cada carro pode seguir tendncias dinmicas ao fazer curvas. Nos
carros particulares (populares), mais comum encontrar carros com
tendncias understeer, pois no precisam de experientes motoristas
para dirigi-los. O veculo understeer quando ele faz uma curva com a
frente do carro em direo parte de fora da curva, ou seja, a
dianteira do carro acaba derrapando e o piloto no tem nenhuma ao, o
carro vai continuar tangenciando a curva de modo a escapar para
fora dela.
As caractersticas oversteer so encontradas nos carros esportivos
e de competio, necessitam de pilotos experientes, pois ao curvar a
traseira do carro derrapa e necessrio o piloto dar contra volante
para ele continuar tangenciando a curva. Entretanto, essa
caracterstica dinmica utilizada em competies por ter a opo do
piloto corrigir o carro, pois quando ele sai de traseira a frente
do carro aponta para o centro da curva diferente do understeer, o
que faz o carro diminuir o raio de curvatura e conseguir efetuar a
curva sem sair fora da pista.
A terceira caracterstica dinmica a neutral steer que evitada por
todos os pilotos e projetistas de carros, pois quando o carro est
entre ser oversteer e understeer. Logo, o carro pode sair tanto de
dianteira quanto de traseira, e o piloto no consegue prever a reao
do carro, sendo mais perigoso e menos eficiente.
Na Figura 2.6 est demonstrando o comportamento dinmico dos
carros understeer e oversteer.
Figura 2.6 Comportamento dinmico dos carros (Fonte:
www.mytrackschedule.com, 2013)
2.4 Transferncia de carga
Conforme Adams (1992), a distribuio de peso de um carro
determinada por quanto peso est em cada pneu. Esses pesos mudam por
causa da transferncia de carga, essa mudana no carregamento o
resultado das foras agindo sobre o carro. Na Figura 2.7 indicado os
eixos de referncia do carro.
Figura 2.7 Eixos de referncia do carro (Fonte: Jazar, 2008)
2.4.1 Transferncia de carga longitudinal
Rios (1998), explica que quando se acelera o carro, a sua frente
levanta porque a parte do peso
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dianteiro transferido para a traseira do carro. Essa
transferncia de peso se nota muito em carros com a suspenso suave,
acontecendo tanto na acelerao quanto na frenagem.
A magnitude desta transferncia de carga, tanto em acelerao
quanto em frenagem, est relacionada com o valor de acelerao
gravitacional expresso em (g), onde 1 (g) igual a 9,81m/s, na
altura do centro de gravidade do carro (CGh) dado em relao ao solo,
na distncia de entre eixos do carro expressa em (De), onde (P)
representa a massa total do carro. A transferncia de carga
longitudinal (Tp) representada pela Equao 2.1.
De
CGhPgTp
(2.1)
2.4.2 Transferncia de carga lateral
Conforme Nicolazzi (2008) comenta, a transferncia de carga da
roda interna para a roda externa da curva proveniente de quatro
influncias distintas:
1. Momento no eixo considerado, devido a fora centrfuga das
massas suspensas.
2. Momento devido parcela dessa fora centrfuga agindo no centro
de rolamento do eixo.
3. Momento devido ao estabilizador existente no eixo.
4. Momento devido fora centrfuga das massas no suspensas desse
eixo.
Rios (1998) afirma tambm, que a magnitude da transferncia de
carga lateral diretamente proporcional a fora centrfuga, e
inversamente proporcional a bitola do carro. Entretanto, a
transferncia de carga lateral influenciada tambm por outros
fatores, tenso das molas, configurao das barras estabilizadoras, a
altura do centro de rolamento. Essa transferncia no igual para os
eixos dianteiros e traseiros, cada um tem as suas
caractersticas.
Adams (1992), quando o carro comea a esterar, o carregamento
vertical dos pneus comear a mudar. Por causa da fora centrfuga, o
peso ser transferido dos pneus internos para os pneus externos
(Figura 2.8). Essa mudana do carregamento pode ser comprovada com a
Equao 2.2 de transferncia de carga lateral.
Figura 2.8 Transferncia de carga lateral (Fonte: Tende,
2013)
Tg
CGhPsgTl
'
(2.2)
Onde:
gs= Fora centrfuga; T= Bitola do carro.
Gillespie (1992) diz, que ao curvar as rodas externas geram mais
fora, sendo que quem comanda ou tem a maior influncia na curva so
as rodas externas. Podendo ser comprovado nos crculos de aderncia
mostrados na Figura 2.9.
Figura 2.9 Carregamento dos pneus em uma curva (Fonte: Tende,
2013)
2.5 Pino Mestre
Para Gillespie (1992), o pino mestre tambm conhecido como
Kingpin e definido em alguns casos pela articulao inferior e a
articulao superior ou rolamento nas torres do amortecedor. Na
maioria das aplicaes este eixo possui uma inclinao, convergente
para o centro do veculo, que chamada inclinao do pino mestre.
Normalmente verificam-se valores de 10 15 para carros de passeio,
para o Baja no diferente disso. A interseco do eixo do pino mestre
com o solo chamado de Scrub e considerada positiva quando
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interior ao centro da interseco do solo com a roda. A variao de
Scrub tambm resulta na alterao da sensibilidade do motorista em
relao estrada, como tambm a reduo dos esforos de esteramento em
decorrncia do efeito de rolamento do pneu que substitui o efeito de
arraste que resulta em maiores esforos. Na Figura 2.10 est
ilustrado o ngulo de pino mestre com o Scrub positivo e
negativo.
Figura 2.10 ngulo de pino mestre com projees do Scrub positivo e
negativo
(Fonte: Nicolazzi, 2008)
2.6 ngulo de Caster
Conforme Gillespie (1992), o eixo de esteramento quando
inclinado no plano longitudinal do veculo tem o ngulo resultante
desta inclinao chamado de Caster. Este considerado como positivo
quando sua interseco com o solo determina um ponto frente do centro
de contato do pneu dianteiro. Normalmente nos Bajas verificam-se
ngulos de Caster de 0 -15 que podem sofrer variaes com a deflexo da
suspenso.
Fernandes (2005) explica, que a caracterstica do Caster positivo
melhora a estabilidade direcional, desde que a linha de centro do
pino mestre passe atravs da superfcie da pista frente da linha de
centro da roda, no veculo Baja utilizado Caster positivo. Portanto
verifica-se a posio do pino mestre frente da fora de resistncia de
rolagem do pneu. O efeito de alinhamento da roda conforma a
trajetria imposta pode ser verificado para o Caster negativo,
utilizado nas rodas de carrinho de supermercado. A Figura 2.11
ilustra o Caster negativo e positivo na dianteira de um veculo.
Figura 2.11 Configurao de Caster negativo e positivo na roda
dianteira de um carro
(Fonte: Adaptado de Jazar, 2008)
2.7 Camber
Nicolazzi (2008), Camber a inclinao do plano da roda em relao a
uma vertical que passa pelo centro da superfcie de contato
pneu/pista. Uma cambagem positiva favorvel devido leve convexidade
das pistas. Logo, os pneus rodam mais perpendiculares pista,
diminuindo seu desgaste. Por outro lado, para que no haja reduo da
capacidade de absoro de foras laterais em curvas, o Camber deve ter
o menor valor possvel. Na Figura 2.12 demonstrado o ngulo de Camber
positivo e negativo.
Figura 2.12 ngulo de Camber positivo e negativo (Fonte: Adaptado
de Jazar, 2008)
Na suspenso independente, usual a cambagem negativa para
melhorar a absoro de foras laterais, no Baja cambagem negativa. Uma
desvantagem da suspenso independente que, em curvas, as rodas
inclinam juntamente com a carroceria, ou seja, a roda externa tende
a ficar com um Camber positivo acentuado. Como essa roda a mais
carregada, uma diminuio de sua capacidade de absoro de foras
laterais no favorvel. Esse problema pode ser minimizado no projeto
da suspenso, de tal forma que quando a roda suba em relao
carroceria a cambagem v se tornando negativa progressivamente. Em
veculos Baja essa correo de cambagem pode chegar at 10
negativos.
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2.8 Fundamentos de direo
2.8.1 Geometria de Ackerman
De acordo com Gillespie (1992), as translaes laterais
transmitidas pelos mecanismos da direo atravs de barramentos s
rodas dianteiras possuem uma importante caracterstica geomtrica. A
geometria cinemtica deste sistema de barras no um paralelogramo que
produz ngulos de esteramento iguais pra ambas as rodas, mas sim um
trapezoide que mais se aproxima da Geometria de Ackerman, onde a
roda interna tem um maior ngulo de esteramento que a externa,
conforme a Figura 2.13.
Figura 2.13 Configurao da Geometria de Ackerman
(Fonte: Jazar, 2008)
O clculo dos ngulos interno e externo atendendo a Geometria de
Ackerman podem ser aproximados conforme a Equao 2.3 e a Equao
2.4.
2
arctan1
TR
Lo
(2.3)
2
arctan1
TR
Li
(2.4)
Onde:
i = ngulo interno da roda; o = ngulo externo da roda; L = Entre
eixos;
1R = Raio de curvatura; T = Bitola do carro.
A perfeita Geometria de Ackerman dificilmente atendida com o
projeto da geometria da suspenso, mas aproximada atravs do conceito
de trapezoide, conforme a Figura 2.14.
Figura 2.14 Mecanismo de esteramento trapezoidal
(Fonte: Adaptado de Jazar, 2008) O grau de atendimento da
Geometria de Ackerman no veculo tem pouca influncia no
comportamento direcional para altas velocidades, mas tem influncia
na auto centralizao em manobras em baixa velocidades. Com o
atendimento da Geometria de Ackerman, tambm se verifica a
progressividade do torque de resistncia em funo do ngulo de
esteramento.
Vale salientar que quando o raio de curvatura diminui as
tendncias oversteer do carro aumentam a baixas velocidades.
2.8.2 ngulo de Toe
O ngulo de Toe refere-se ao ngulo entre o eixo longitudinal do
veculo e as linhas do plano central das rodas. O termo Toe pode ser
encontrado como convergncia.
O valor da convergncia positivo quando os planos mdios das rodas
se encontram na frente do veculo, e por isso chamamos de geometria
convergente ou toe-in. No caso contrrio, a geometria chamada de
divergente ou toe-out e apresenta valores negativos [ALMEIDA,
2012]. A Figura 2.15 ilustra os dois tipos de Toe.
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Figura 2.15 Configurao de toe-in e toe-out (Fonte: Jazar,
2008)
Como as rodas externas da curva so sempre as mais carregadas e
regem o maior percentual da trajetria da curva, quando se utiliza
uma configurao de toe-in o carro acaba ficando mais oversteer, pois
o raio de curvatura diminudo, pelo fato de j haver uma pr-inclinao
na roda externa da curva.
2.9 Suspenso do tipo duplo A
Segundo Almeida (2012), esta suspenso conhecida mundialmente
como Double wishbone ou Double A arm. Sua principal caracterstica a
presena de dois braos ou bandejas, um superior e outro inferior que
geralmente tem um formato triangular, apresentada na Figura
2.16.
Figura 2.16 Suspenso do tipo duplo A (Fonte: Adaptado de Jazar,
2008)
Atualmente, esta suspenso amplamente utilizada em carros de alto
desempenho por possibilitar um ajuste refinado de caractersticas
importantes relacionadas com a cinemtica do trabalho de suspenso,
como por exemplo, o ngulo de Camber e o ngulo de Caster.
Na Tabela 2.1 so apresentadas as principais vantagens e
desvantagens deste sistema de suspenso.
Tabela 2.1 - Vantagens e desvantagens da suspenso Dupla A
Vantagens Desvantagens Controle mais preciso do ngulo de
Camber
Necessidade de muito espao para instalao
Possibilidade de configurao oversteer ou understeer
Custo elevado em comparao com os outros sistemas
Pouca vibrao transmitida estrutura do veculo
Necessidade de um dimensionamento criterioso para o correto
funcionamento
Elementos resistentes Redundncia de elementos de ligao
Curso til alongado Pequena variao de bitola ao longo do
curso
Fonte: Adaptada de Almeida, 2012.
2.10 Centro de rolagem (Roll Center)
Para Adams (1992), quando um carro faz uma curva ele ir rolar em
direo ao lado de fora da curva, o que afeta adversamente seu
comportamento. Isso chamado de rolamento, e a quantidade que ele ir
rolar chamado de ngulo de rolamento.
O centro de rolagem a interseco da linha de centro com a linha
que liga o ponto de contato do pneu e o centro instantneo de rotao
da roda, demonstrado na Figura 2.17.
Figura 2.17 Posio do centro de rolagem (Fonte: Adaptado de
Monteiro, 2013)
A resistncia contra o rolamento pode ser alcanada na dianteira,
na traseira ou em ambas. Ao decidir o quanto de resistncia contra o
rolamento existe na dianteira ou na traseira, pode-se controlar as
caractersticas understeer ou oversteer do veculo. Logo, a altura do
centro de rolagem em relao ao solo tambm afeta a dinmica,
principalmente na transferncia de carga na curva.
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Quanto maior for essa atura, maior ser a transferncia de
carga.
Conforme Monteiro (2013), o Centro de rolagem pode variar quanto
a sua altura seguindo a linha de centro, quando a suspenso
comprimida ou estendida, porque o CIR da roda varia, sabendo que o
mesmo o encontro da extenso das linhas das bandejas com a parte
inferior do pneu com o solo, conforme demonstrado na Figura 2.17.
Ao curvar o centro de rolagem varia muito at mesmo saindo da linha
de centro. Essa variao dificulta ainda mais o estudo da inclinao da
massa suspensa e do efeito da transferncia de carga na roda.
Podendo gerar efeitos totalmente indesejveis, como capotamento e
transferncia de carga excessiva, que faz com que o pneu atinja seu
ponto de saturao e diminui a capacidade fora lateral. Efeito
ilustrado na Figura 2.18.
Figura 2.18 Centro de rolagem varivel (Fonte: Adaptado de
Monteiro, 2013)
O estudo da dinmica lateral fica mais completo quando feito um
estudo do centro de rolagem dianteiro junto com o traseiro, que
gera uma linha em torno da qual o veculo inteiro inclina, chamada
de eixo de rolagem. Conforme a Figura 2.19 ilustra.
Figura 2.19 Eixo de Rolagem (Fonte: Tende, 2013)
No Baja o centro de rolagem traseiro bem alto, gerando uma
transferncia de carga que faz a traseira derrapar na curva.
Enquanto que na
frente o ponto baixo, ou seja, facilita a inclinao da massa
suspensa. A combinao desses dois pontos uma reta inclinada para
frente do veculo, a falta de inclinao na traseira compensa a
inclinao excessiva na frente, e a excessiva inclinao na frente
melhora a transferncia de carga na traseira.
Adams (1992), quando um carro rola, os pneus mudam o ngulo de
Camber com a superfcie da pista (Figura 2.20). Desde que o pneu
desenvolve sua mxima trao quando ele roda perpendicular pista, esse
ngulo positivo de Camber resulta em menos fora centrfuga. Um ngulo
menor de Camber positivo, portanto o carro ir fazer curvas mais
rpido se o ngulo de rolamento for mantido pequeno.
Figura 2.20 Variao de Camber ao rolar o veculo em curvas
(Fonte: Adaptado de Adams, 1992)
Pode-se compensar essa perda de Camber ao ajustar o carro com um
Camber esttico negativo, que a quantidade de Camber negativo com o
carro parado. Ao fazer isso, ajuda a manter o pneu dianteiro
externo perpendicular pista, mesmo que haja rolamento excessivo na
carroceria.
Quanto maior a fora lateral maior ser o ngulo de rolamento.
Contudo, quanto mais rpido o veculo curvar, maiores sero as foras
laterais, e portanto, maiores ngulos de rolamento. Isso significa
que carros que fazem curvas mais rpido iro necessitar mais dureza
de rolamento para controlar o ngulo de rolamento.
A altura do centro de gravidade mais baixa ir resultar em menos
ngulo de rolamento, pois diminui a distncia do CG at o centro de
rolagem. Porm, a maioria dos carros j so to baixos quanto
praticamente vivel, portanto a mudana de altura do centro de
gravidade no sempre uma maneira possvel de controle de ngulo de
rolamento de um determinado carro.
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A maneira de controlar a mudana de Camber causada pelo rolamento
da carroceria limitar o ngulo de rolamento, mudando a dureza de
rolamento da suspenso. Os dois meios mais comuns de controlar a
dureza de rolamento em qualquer carro so atravs das molas e das
barras estabilizadoras. No entanto, aumentando o coeficiente das
molas pode tambm mudar outros aspectos dinmicos no comportamento do
carro.
2.11 Barra estabilizadora
De acordo com Adams (1992), a melhor maneira de aumentar ou
diminuir a resistncia ao rolamento em um veculo colocando uma barra
estabilizadora ou aumentando a eficincia das barras instaladas.
Podendo ser chamadas algumas vezes de barras anti-rolamento ou
ainda anti-roll bar. Quando um carro est rolando, uma roda estar em
cima em compresso e a outra roda estar mergulhando. Como ilustrado
na Figura 2.21.
Figura 2.21 Ao da barra estabilizadora na curva
(Fonte: Nicolazzi, 2008)
2.11.1 Mecanismo da barra estabilizadora
Na Figura 2.22 apresentado todo o mecanismo da barra
anti-rolamento, onde na sua extremidade fixada na massa no suspensa
do veculo, podendo ser na manga de eixo ou na prpria balana da
suspenso, presas por pivs ou uniballs quando em carros de competio.
Passando pelos mancais e buchas fixas no chassi do veculo, com o
objetivo de fazer com que a barra estabilizadora trabalhe somente
com toro pura. Podendo ser instalada em qualquer tipo de suspenso,
tanto na dianteira quanto na traseira. um mecanismo muito simples e
leve se levar em considerao os benefcios trazidos na dinmica do
veculo.
Figura 2.22 Mecanismo da barra estabilizadora (Fonte:
www.howacarworks.com, 2013)
2.11.2 Efeitos das barras estabilizadoras
Segundo Nicolazzi (2008), o tipo de estabilizador mais difundido
o da barra de toro, unindo os braos transversais da suspenso,
fazendo aumentar a constante de mola do eixo e reduzindo o ngulo de
rolamento da carroceria. So encontrados dois tipos de barras
estabilizadoras em formas de U como demonstrado na Figura 2.23 (a),
e em formas de Z apresentada na Figura 2.23 (b).
(a) Tipo U (b) Tipo Z
Figura 2.23 Tipos de barras estabilizadoras (Fonte: Adaptado de
Nicolazzi, 2008)
Os estabilizadores em U Figura 2.23 (a), ocasionam um aumento da
transferncia de carga entre as rodas do eixo, quando em curva, j
que sua ao consiste em comprimir a roda externa e levantar a
interna. Limitando o ngulo de rolamento do carro usando sua
resistncia torsional para resistir o movimento de subida de uma
roda e de descida da outra. Quanto mais dura a barra, mais
resistncia a toro da carroceria ela pode prever. Uma vez que as
foras que fazem o carro rolar so absorvidas pela barra
estabilizadora, e essas foras so alimentadas atravs dos braos
inferiores de controle, o carregamento no pneu externo ir aumentar
a medida que as barras se torcem. Quando aplicado na suspenso
traseira, ocasiona uma maior sada de traseira, logo, torna o veculo
mais oversteer
Os estabilizadores em Z Figura 2.23 (b), ao contrrio, ocasionam
uma diminuio da
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transferncia de carga entre as rodas de um mesmo eixo.
Aumentando o ngulo de rolamento do veculo o que o torna mais
understeer quando empregado na suspenso traseira.
2.11.3 Equacionamento da barra
estabilizadora
Conforme Nicolazzi (2008), a constante de mola de um
estabilizador calculada como de uma barra de toro, sendo o
comprimento efetivo a metade do comprimento da barra, j que, em
relao roda, a seo central da barra funciona como se estivesse
engastada, pois no gira.
De acordo com Rios (1998), a toro da barra implica em uma
deformao de suas fibras metlicas de trabalho no seu eixo
longitudinal e atravs de um determinado comprimento, conforme a
Figura 2.24 apresenta.
Figura 2.24 Esquema bsico de uma barra estabilizadora
(Fonte: Adaptado de Rios, 1998)
Para calcular o momento torsor da barra estabilizadora temos a
Equao 2.5.
bPMt (2.5)
Onde:
Mt = Momento torsor; P = Fora exercida na extremidade do brao; b
= Distncia do brao. A barra oferecer a esse momento uma resistncia
equivalente, um momento de resistncia da seo, nesse casso circular.
Conforme a Equao 2.6.
k
bP
k
MtMr
(2.6)
Onde:
Mr= Momento resistente; k = Modo de cisalhamento do material.
Sendo k o modo de cisalhamento do material, correspondente ao ao
que est se utilizando. Na Tabela 2.2 so apresentados os materiais
mais comuns.
Tabela 2.2 Mdulo de cisalhamento do material (k)
Tipo de material Mdulo de cisalhamento
Ao laminado a frio 79.290 KPa
Ao inoxidvel 73.085 KPa
Ao carbono, tratado
termicamente (75.842 82.050) KPa
Titnio (39.990 42.745) KPa
Fonte: Adaptada de Milliken e Milliken, 1995.
Pode-se expressar esse momento resistente levando em conta o
momento polar de inrcia da barra. Demonstrado na Equao 2.7.
d
lp
r
lpMr
2
(2.7)
Onde:
r = Raio da seo circular; d = Dimetro da seo;
lp = Momento polar de inrcia. Igualando as duas Equaes 2.6 e
2.7, teremos a Equao 2.8.
d
lp
k
bPMt
2
(2.8)
Onde o momento polar de inrcia de uma barra dada pela Equao 2.9
e de um tubo pela Equao 2.10.
32
4dlp
(2.9)
64
)( 4142 ddlp
(2.10)
-
12
Onde:
2d = Dimetro externo do tubo;
1d = Dimetro interno do tubo. Substituindo na Equao 2.8, obtemos
a Equao 2.11 para barra e a Equao 2.12 para tubo.
d
d
k
bP
32
2 4
(2.11)
d
dd
k
bP
64
)(2 4142
(2.12)
Com as Equaes 2.11 e 2.12, pode-se isolar a varivel que se
pretende encontrar, sendo ela a fora exercida na extremidade do
brao (P), distncia do brao (b), dimetros do tubo (d1) e (d2) ou os
momentos torsor e resistente (Mt) e (Mr) respectivamente.
Quando o automvel rola a sua carroceria ao fazer a curva, gera
um ngulo de deformao na barra estabilizadora, este chamado de ngulo
de toro e pode ser expresso pela Equao 2.13 quando a barra
estabilizadora for feita de barra macia, e quando for feita de tubo
a Equao 2.14.
180324
dG
LbP
(2.13)
180
)(
644
142
ddG
LbP
(2.14)
Onde:
= ngulo de toro; G = Mdulo de elasticidade transversal do
material; L = Comprimento de trabalho da barra. Pode-se descobrir o
ngulo de toro por mtodos grficos, pois o deslocamento das suspenso
conhecido. Contudo, pode-se isolar o comprimento de trabalho da
barra (L), para descobrir a largura da barra estabilizadora,
conforme demonstrado na Equao 2.15 e Equao 2.16 para barras e para
tubos respectivamente.
32180
4
bP
dGL
(2.15)
64180
)( 4142
bP
ddGL
(2.16)
Segundo Adams (1992), a dureza de uma barra estabilizadora
aumenta rapidamente com o aumento do seu dimetro. A dureza funo do
dimetro na 4 potncia.
Quanto menor a distncia do brao (b) maior ser a ao da barra
estabilizadora, logo, ir dificultar o rolamento da carroceria e
aumentar a transferncia de carga para a roda externa da curva.
2.11.4 Material e geometria da barra
estabilizadora
Conforme Smith (1978), a parte interna da barra estabilizadora
no contribui em praticamente nada do seu funcionamento, tanto em
anlises de torses quanto em anlises prticas se determinou que no
havia nenhuma razo estrutural para no utilizar tubos de paredes
finas, sendo que a massa total do conjunto estabilizador ir
diminuir.
Segundo teste e ensaios realizados por Smith (1978), sugere-se o
uso do material de Ao SAE 4130 tratado termicamente, para elevar o
seu limite de escoamento e afim de reduzir a falha por fadiga. A
dureza superficial sugerida de (34 38) HRC onde dever ser tratado
termicamente pendurado na vertical dentro do forno para minimizar
as distores.
No se deve fazer furos no meio das barras para deix-las mais
macias, nem soldar os batentes ao longo da barra para ela no se
deslocar para os lados, pois esses dois casos acabam ocorrendo
bastante e so erros clssicos de possveis quebras ou falhas da barra
estabilizadora.
2.12 Mancais de deslizamento
Conforme Salles (20xx), os mancais de deslizamento so muito
encontrados em mquinas onde um eixo qualquer sofre foras e o mancal
serve de aparo e de guia para esse eixo.
Nos mancais de frico quando uma das superfcies mveis um eixo e o
deslizamento
-
13
executado considerando-se o movimento relativo de rotao entre o
eixo e o mancal. Esses mancais so utilizados em equipamentos de
baixa rotao, porque a baixa velocidade evita superaquecimento dos
componentes expostos ao atrito. Como demonstrado na Figura
2.25.
Figura 2.25 Corte de um mancal de deslizamento
(Fonte: www.offset3blog.wordpress.com, 2013)
As buchas so, em geral, corpos cilndricos ocos que envolvem os
eixos permitindo-lhes uma melhor rotao. Ilustrado na Figura
2.26.
Figura 2.26 Detalhes das buchas (Fonte:
www.offset3blog.wordpress.com, 2013)
Para a confeco da bucha utilizam-se diversos materiais, dos
quais destacam-se em ordem de emprego os seguintes materiais:
1. Metal patente: so ligas fundamentalmente a base de Estanho
(89%), Antimnio (8%), Cobre (3%). Este metal muito utilizado.
2. Ligas binrias de Cobre e Chumbo (20 40% de Chumbo): A boa
resistncia a fadiga indica o seu uso em mancais que trabalham em
condies severas.
3. Bronzes: Trs so os principais tipos de bronzes:
Bronze a base de Estanho; Bronze a base de Chumbo; Bronze de
alta resistncia. 4. Alumnio: Suas ligas resistem bem a
corroso produzida pela acidez do lubrificante. So muito usados
em mancais de motores de exploso, alguns compressores, equipamentos
aeronuticos.
5. Prata: Mancais com prata so muito usados em aeronaves e
motores diesel. So camadas (0,001 0,005 in) de prata depositadas
internamente em mancais de ao.
6. Ferro fundido: So raramente usados. 7. Grafite: misturado com
cobre, bronze, e
plsticos, obtendo assim, uma maior diminuio do coeficiente de
frico.
8. Plsticos: Muito utilizados em mquinas de indstrias txteis,
alimentcias, com produtos corrosivos, oxignio lquido.
2.13 Sntese do captulo
Neste captulo abordaram-se diversos sistemas necessrios para o
entendimento da dinmica de um veculo, onde foi demonstrado temas de
extrema importncia para o funcionamento da barra estabilizadora
quando utilizada no Baja, seu emprego depende de praticamente todos
os sistemas do veculo, levando em considerao que a barra afeta
diretamente a transferncia de carga e o centro de rolamento do
carro, o que influencia drasticamente nas caractersticas dinmica de
um veculo.
No prximo captulo ser abordado o desenvolvimento do
equacionamento e tomadas de decises para o projeto de barra
estabilizadora.
3 DESENVOLVIMENTO
Baseado nos captulos anteriores deste trabalho, foi desenvolvido
o equacionamento e seleo dos componentes para a elaborao do projeto
de barra estabilizadora traseira para o veculo Baja SAE. Visa-se
utilizar as configuraes tanto de geometria quanto de materiais
ideais para as condies que o Baja ser utilizado, neste caso as mais
severas possveis. Com isto foi levado em conta tambm o menor nmero
de componentes possveis e maior facilidade de manuteno mantendo a
eficincia do sistema.
3.1 Material e geometria da barra
estabilizadora
A geometria da barra estabilizadora selecionada para o Baja foi
a de tipo U, pois quando empregada na traseira do veculo seus
efeitos so exatamente o que o Baja da Universidade de Passo Fundo
precisa,
-
14
aumento da transferncia de carga para o lado externo da curva e
aumento da resistncia ao rolamento da traseira do carro, dois
fatores que iro contribuir para a antecipao da saturao dos pneus
traseiros, logo, o carro ir sair mais de traseira ficando com uma
caracterstica ainda mais oversteer.
O material selecionado para a barra estabilizadora (parte que
sofre toro pura), o Ao SAE 4130, onde normalizado a 870C possui um
limite de escoamento de 460MPa, porm, ir ser tratado termicamente
deixando a sua dureza entre (34 38) HRC. Como o Baja j dispem desse
material em tubos de 19,05mm de dimetro e 1,2mm de espessura,
utiliza-se esse para fins de clculo e primeiros testes.
De acordo com anlises de Bajas similares e testes empricos, foi
estipulado valores para a distncia do brao (b) e para o comprimento
de trabalho da barra (L). Contudo, estipulou-se as variveis para os
clculos da barra, conforme demonstrado na Tabela 3.1 e ilustrado na
Figura 3.1.
Tabela 3.1 - Valores das variveis estipuladas Variveis
Valores
b = Distncia do brao 60 mm
L = Comprimento de trabalho da barra 607,5 mm d1 = Dimetro
interno do tubo 16,65 mm
d2 = Dimetro externo do tubo 19,05 mm
d = Dimetro do tubo 19,05 mm
Figura 3.1 Estrutura da barra estabilizadora com indicaes das
variveis
(Fonte: Adaptado de www.oponeo.co.uk, 2014)
3.2 Clculo da fora exercida na
extremidade do brao
Com base na Equao 2.12, pode-se descobrir a fora exercida na
extremidade do brao (P).
Onde o mdulo de cisalhamento (k) utilizado de acordo com a
Tabela 2.2, levando em conta que um material temperado e de alto
desempenho para o seu emprego. As demais variveis so encontradas na
Tabela 3.1.
mm
mm
N
P
100005,1964
100060
100085,17
100005,192
1082 4
446
NP 29,386
Transformando esse resultado em quilogramas obtemos um valor
aproximado de 39,38kg, o que um valor relativamente cabvel sendo
que a massa total do Baja de 157Kg e a maior parte dessa massa est
na traseira onde se encontra o motor.
3.3 Clculo do ngulo de toro
Pode-se calcular o ngulo de toro por meio da Equao 2.14, onde
utiliza-se a fora exercida na extremidade do brao (P) calculado
pela Equao 2.12. O mdulo de elasticidade transversal da barra (G),
obtido pelas caractersticas do material da barra.
180
100085,17
100005,19
1075
10005,607
10006009,42564
444
9
mm
N
mmN
55,12
Pode-se calcular o ngulo de toro tambm, pelo mtodo grfico. Onde
foi estipulado um curso mdio da suspenso devido ao rolamento do
carro, e feito um esboo no software SolidWorks com as dimenses
exatas de funcionamento do carro.
Na Figura 3.2 demonstrado o ngulo de toro inicial com a suspenso
estendida, onde obteve-se uma inclinao de 29,50 com a vertical.
Figura 3.2 ngulo de toro inicial
-
15
Na Figura 3.3 ilustrado o ngulo de toro final depois da suspenso
efetuar um curso de 60mm, que gerou uma inclinao de 16,68 com a
vertical.
Figura 3.3 ngulo de toro final O resultado de 12,55 de ngulo de
toro obtido pelo emprego da Equao 2.14, foi comprovado pelo mtodo
grfico, pois fazendo a subtrao dos ngulos de toro (inicial menos
final) obtm-se um ngulo de toro de 12,82, o que muito prximo do
obtido analiticamente.
3.4 Material e geometria do mancal
A geometria do mancal foi selecionada de maneira a deixar o
sistema o mais rgido possvel eliminando qualquer tipo de folga,
para a barra estabilizadora trabalhar somente com toro pura.
Definiu-se que o mancal de deslizamento ser de Alumnio 7075-T6
tanto a tampa quando a base, este mancal ser fixado por dois
parafusos M6 com porcas em uma chapa dobrada e soldada no prprio
chassi do veculo, onde pode-se considerar esse conjunto rgido. Para
fazer o deslizamento da barra optou-se por uma bucha de Bronze TM23
bipartida, essa bucha se ajusta ao dimetro da barra anti-rolamento
em quanto que fica encaixada no mancal, logo, facilita a sua
manuteno e se necessria a sua troca, bastando frouxar dois
parafusos. Na Figura 3.4 est ilustrado o croqui do projeto do
mancal.
Figura 3.4 Croqui do mancal da barra estabilizadora
3.5 Mecanismo de ligao
A extremidade do brao (b) do conjunto da barra estabilizadora,
precisa conectar-se de alguma forma a massa no suspensa do veculo,
nesse caso optou-se por soldar pontos de fixao nas extremidades das
bandejas de suspenso. Logo, se faz necessrio uma barra de ligao que
transmita o movimento at o brao (b), entretanto, como o carro tem
uma correo de Cambagem nas rodas traseiras, o ponto de fixao
soldado na extremidade da bandeja ir rotacionar fazendo com que uma
bucha fixa na barra de ligao no supra as necessidades. Contudo,
optou-se por colocar dois terminais rotulares em cada extremidade
da barra de ligao, sendo um deles possui rosca esquerda e outro
rosca direita, fazendo com que girando a barra para um lado d
aperto e para o outro frouxe. Sabe-se que uma das regulagens finas
da barra estabilizadora , quanto menor o ngulo de toro inicial com
a vertical, menor ser o efeito da barra anti-rolamento.
O terminal rotular tambm conhecido como uniball, foi determinado
atravs das suas caractersticas, onde o modelo escolhido foi o
HXAB-4T da marca Aurora Bearing Company. Na Figura 3.5 demonstrado
as dimenses expressas em polegadas do uniball HXAB-4T.
Figura 3.5 - Dimenses do terminal rotular Aurora HXAB-4T
(Fonte: Aurora Bearing Company, 2013)
Na Tabela 3.2 so demonstrados as demais caractersticas do modelo
selecionado de terminal rotular.
Tabela 3.2 - Especificaes do uniball Aurora HXAB-4T
Material do Corpo do uniball
Ao SAE 4340, tratado
termicamente
Material do embuchamento do uniball
Ao SAE 4130, tratado
termicamente
Material da esfera do uniball
Ao MAS 7440, tratado
termicamente
-
16
ngulo mximo de desalinhamento
23
Capacidade mxima de carga esttica radial
47.990 N
Massa do uniball 0,0545 Kg Fonte: adaptada de Aurora Bearing
Company, 2013.
3.6 Mockup
Aps avaliao entre os sistemas de barra estabilizadora aplicados
veculos Baja SAE, pode-se perceber que o sistema de barra
estabilizadora do tipo U melhor a ser empregado nestes veculos,
pois aumenta a transferncia de carga e reduz a rolagem do carro
quando se faz uma curva.
Baseado nos conceitos automobilsticos de dinmica veicular
apresentados neste captulo e nas decises tomadas, desenvolveu-se um
anteprojeto da barra estabilizadora para a suspenso traseira do
veculo Baja SAE, onde foi integralmente projetado no software
SolidWorks 2013 e aplicado ao veculo MBT2012 da Equipe Mas Baja
Tch. As dimenses do projeto eram restritas, pois a suspenso
traseira do tipo duplo A no foi desenvolvida para receber tal
barra. Logo, fez-se necessrio utilizar algumas adequaes de projeto
para tornar a barra estabilizadora o mais eficiente possvel.
Conforme demonstrado na Figura 3.6.
Figura 3.6 - Mockup da barra estabilizadora
3.7 Teste dinmico do Mockup
Com o anteprojeto da barra estabilizadora desenvolvido, foi
produzido o seu Mockup e instalado no Baja da Equipe Mas Baja Tch.
Porm, a barra anti-rolamento encontrava-se sem tratamento trmico e
com mancais somente em Alumnio 7075-T6. Como ilustrado na
Figura
3.7, onde o Mockup encontra-se instalado no veculo.
Figura 3.7 - Mockup da Barra estabilizadora instalada no veculo
Baja SAE
Para realizar a comprovao da efetividade da barra estabilizadora
foi desenvolvido um teste que funciona da seguinte maneira: O
veculo sai de repouso em um terreno de grama, ento o piloto d 100%
do acelerador at atingir uma distncia de 6 metros, quando ento ele
estera o mximo do volante para a esquerda sem efetuar nenhum contra
volante, atuao do freio ou desacelerao, fazendo com que o carro
efetue uma manobra chamada de pndulo. Onde ento medido o raio de
curva, que obtido atravs do final dos 6 metros (inicio do
esteramento do volante) com a parte mais externa do veculo durante
a curva. De acordo com a Figura 3.8 que ilustra o teste.
Figura 3.8 Demonstrativo do teste de oversteer Nos testes
dinmicos prticos com o veculo, efetuou-se o procedimento com o Baja
sem instalar a barra estabilizadora (Figura 3.9 parte superior) e
efetuando a instalao do Mockup da barra estabilizadora (Figura 3.9
parte inferior).
Percebeu-se ento, um aumento na sada de traseira do carro ao
curvar depois de instalado o Mockup, sendo que o carro passou de
5,75m de raio de curva mnimo para 5,35m, diminuindo
consideravelmente devido somente a atuao da barra
estabilizadora.
-
17
Figura 3.9 Comparativo dos testes dinmicos
Contudo, o carro se tornou visivelmente mais oversteer, que de
fato era a caracterstica esperada, pelo aumento da transferncia de
carga e reduo do rolamento do carro, fazendo com que o pneu externo
da curva viesse a saturar antes. Entretanto, os mancais somente de
alumnio por mais que facilitem a sua produo e reduo de peas,
optou-se para o projeto final utilizar buchas de Bronze TM23. Pois
facilita-se a manuteno e a troca dessas buchas, desta forma os
mancais ficam mais rgidos evitando folgas e desgastes prematuros.
Como a suspenso traseira no foi desenvolvida para receber a barra
estabilizadora, precisou-se colocar 4 mancais para suportar a barra
anti-rolamento, para o projeto final ser viabilizado a
possibilidade de utilizar somente 2 mancais, reduzindo assim a
massa do conjunto e a quantidade de peas.
3.8 Recriao do teste dinmico no software
CarSim
Para realizar a simulao virtual do teste dinmico foi escolhido o
software de dinmica veicular Mechanical Simulation CarSim 8.2.2.
Contudo, sentiu-se a necessidade de desenvolver um fluxograma de
procedimentos que o software dever executar, demonstrado na Figura
3.10,
devido ao fato de ele simular exatamente o teste dinmico j feito
pelo prottipo do Baja, sendo este um teste anormal ao software.
Figura 3.10 Fluxograma de procedimento do CarSim
Com base no fluxograma da Figura 3.10, traduziu-se estas
informaes para a linguagem do CarSim que um software tanto de
pr-processamento quanto de ps-processamento. Logo, desenvolveu-se
um procedimento para efetuar esta tarefa, descrito a seguir:
1. Inicialmente criou-se uma condio de contorno que o modelo ir
partir do zero, e assim
-
18
que iniciar a simulao o piloto deve acionar 100% do acelerador
de forma open-loop (ao que indica sem interveno do piloto, ou seja,
o piloto no ter nenhuma atitude para com o carro indiferentemente
do que o veculo estiver fazendo).
2. Para garantir que o piloto no acionasse o freio, o mesmo foi
desativado.
3. Na transmisso foi selecionado para funcionar de maneira
automtica, at pelo veculo em questo utilizar transmisso CVT
(Transmisso Continuamente Varivel).
4. Neste mdulo inicial a direo est desabilitada, pelo fato de at
atingir a distncia de 6 metros ela no possui nenhum
esteramento.
5. O tempo da simulao foi indicado para ter um total de 6
segundos.
6. A opo que melhor se encaixou neste tipo de anlise foi a de
plotar as coordenadas do veculo, essa ao plota a trajetria do carro
durante toda a simulao. Para efeito de simetria o software aceita
somente que o ponto de referncia seja no plano mdio do veculo.
Ento,
foi estipulado a parte frontal do carro, exatamente no ponto
mdio de sua bitola. Contudo, se gera um erro conhecido, pois o raio
de curva medido na parte mais externa do veculo, logo, dever ser
somado a distncia do ponto de referncia at a extremidade do carro,
para se obter o raio de curva mais aproximado.
7. Para simular o terreno do teste dinmico, foi adicionado uma
pista de 1km2. Segundo Nicolazzi (2008), o coeficiente de atrito de
rolamento para a grama de 0,045 0,1 e o coeficiente de atrito pneu
x terra seca de 0,5 0,7. Sabendo que o terreno do teste era de
grama curta, porm com resqucios de grama cortada, estipulou-se que
para o coeficiente de atrito de rolamento que se utilizaria o valor
de 0,9. Entretanto, no se dispunha do coeficiente de atrito de pneu
x grama, ento viabilizou-se utilizar o de terra seca, sabendo que o
coeficiente de atrito da grama superior ao da terra seca, se
estimou que o coeficiente de atrito pneu x grama de 0,8. De acordo
com a numerao descrita anteriormente cada item est sendo indicado
no software CarSim pela Figura 3.11.
Figura 3.11 Procedimento da simulao do teste no CarSim
Para executar a tarefa de esterar o volante depois de 6 metros
fez-se necessrio inserir uma nova varivel dentro do software, pois
o mesmo est programado para ler as tarefas em funo do tempo e no em
funo da distncia que o caso. Ento, foi criado um evento A.
Monitorar
Distncia demonstrado pelo nmero 7 na Figura 3.11.
Neste evento foi definido a varivel distncia que quando maior ou
igual aos 6 metros estipulados ele executa o comando B. Esterar
Volante, que neste
-
19
caso estera por completo o volante, conforme ilustrado na Figura
3.12.
Figura 3.12 Evento A. Monitorar Distncia Contudo, todas essas
aes no software CarSim so de extrema importncia para cumprir com
excelncia o fluxograma do teste dinmico.
3.9 Modelamento do veculo Baja no software
CarSim
Para efetuar o modelamento do veculo Baja MBT12 no software
CarSim, se faz necessrio entender todos os subsistemas do carro,
pois preciso validar o modelo de acordo com o teste dinmico
efetuado com o prottipo do veculo.
Contudo, decidiu-se tomar como referncia os valores do teste
dinmico do Baja sem a instalao da barra estabilizadora e refinar o
modelo at a sua possvel validao. Aps refinado o modelo, insere-se
as configuraes que representam a barra estabilizadora e ento se
viabiliza qual o melhor ajuste para o Baja MBT12.
Na Figura 3.13 so apresentados todos os subsistemas do veculo no
software CarSim. Sendo que dentro de cada subsistema possui todas
as suas configuraes, onde so explicadas posteriormente de acordo
com a sua numerao.
Figura 3.13 Subsistemas do veculo no CarSim
1. No subsistema de massa suspensa, so definidas todas as
dimenses referentes ao centro de gravidade do veculo, sistema de
coordenadas,
inrcias e por fim a massa suspensa propriamente dita. Logo, um
grande influente nos resultados da simulao so os valores das
inrcias (Roll, Pitch e
-
20
Yaw), que neste caso foram aproximadas pois os valores foram
obtidos do modelo 3D do prottipo. Na Figura 3.14 esto demonstrados
os valores de cada item do subconjunto.
Figura 3.14 Subconjunto massa suspensa
2. O subsistema de aerodinmica, pelo fato do teste dinmico ser
em baixa velocidade, foi simplificado e utilizado o coeficiente
padro de automveis Cd=0,3.
3. Para o esteretipo do Baja foi utilizado um pacote da prpria
Mechanical Simulation, que representa um monoposto Baja SAE e
adequado para a realidade do MBT12, onde na prpria Figura 3.13
possvel visualiz-lo.
4. O Subsistema powertrain (trem de fora) foi dividido
basicamente em dois itens, motor e transmisso. Na Figura 3.15 est
sendo apresentada a curva de trabalho e os principais parmetros do
Motor Briggs & Stratton utilizado no Baja.
Figura 3.15 Configuraes do motor do Baja
No sistema de transmisso foi inserido a curva de trabalho da
CVT, sabendo que estes valores so aproximados, pelo fato de ser uma
modelagem matemtica complexa e possuir diversas variveis de difcil
obteno. Contudo, o
CarSim no possui opo de inserir uma caixa de reduo posterior
CVT, o que o caso, ento foi configurado um diferencial onde se
estipulou que o mesmo blocado e possui uma reduo de 4,3 simulando o
funcionamento da caixa de reduo. Na Figura 3.16 est sendo
demonstrado a curva de trabalho da CVT.
Figura 3.16 Curva de trabalho da CVT
5. O subsistema de freio foi descartado desta simulao, pois de
acordo com o fluxograma de procedimento da Figura 3.10, em nenhum
momento acionado o freio do veculo.
6. No subsistema de direo, foi adicionado os ngulos de Caster e
pino mestre, as distancias de Scrub e de torque de auto
alinhamento, estes tanto para as rodas da frente quanto para as
traseiras. Para o pinho e cremalheira, as inrcias e a relao de
deslocamento dada em milmetro por volta. Tais valores esto sendo
demonstrados na Figura 3.17.
Figura 3.17 Configuraes da direo
Para a cinemtica da direo foi inserido as curvas de inclinao das
rodas (direita e esquerda) em funo do deslocamento da cremalheira.
Conforme demonstrado na Figura 3.18.
-
21
Figura 3.18 Curva de inclinao das rodas Para efetuar o
acionamento do volante, foi criado uma comando no evento
demonstrado pela Figura 3.12, que se chama B. Esterar Volante, onde
este estera 100 do volante de forma instantnea e constante.
Conforme demonstrado na Figura 3.19.
Figura 3.19 Comando B. Esterar Volante
7. No subsistema da suspenso dianteira, foi definido como
independente, inserido os valores de massa no suspensa, bitola,
distncia do centro da roda at o solo, ngulo inicial de cambagem e
Toe, especificado que o veculo no ir sofrer nenhuma variao de
Caster e Toe ao longo do curso da suspenso. Entretanto, o veculo
sofre deslocamento longitudinal e lateral das rodas ao longo do
curso da suspenso, porm quando inserido esse deslocamento no
software houve discrepncias nos resultados, logo, optou-se por
desconsiderar essas variaes de deslocamento. A Figura 3.20
demonstra os valores para as variveis descritas.
Figura 3.20 Configuraes da suspenso dianteira A curva de
cambagem, foi adicionada para as duas rodas (esquerda e direita), e
est sendo ilustrada na Figura 3.21.
Figura 3.21 Curva de cambagem dianteira
8. No subsistema da suspenso traseira, foi definido como
independente, inserido os valores de massa no suspensa, bitola,
distncia do centro da roda at o solo, ngulo inicial de cambagem e
Toe, especificado que o veculo no ir sofrer nenhuma variao de
Caster e Toe ao longo do curso da suspenso. Entretanto, o veculo
sofre deslocamento lateral das rodas ao longo do curso da suspenso,
porm quando inserido esse deslocamento no software houve
discrepncias nos resultados, logo, optou-se por desconsiderar essa
variao de deslocamento. A Figura 3.22 demonstra os valores para as
variveis descritas.
A curva de cambagem, foi adicionada para as duas rodas (esquerda
e direita), e est sendo ilustrada na Figura 3.23.
-
22
Figura 3.22 Configuraes da suspenso traseira
Figura 3.23 Curva de cambagem traseira
9. Para os subconjuntos da cinemtica da suspenso, tanto
dianteira quanto traseira, foi estipulado a constante de
amortecimento, que no caso da dianteira 3N/mm e da traseira 5N/mm,
ajustado para as duas funcionarem sem barra estabilizadora
(inclusive a traseira pois necessrio validar o modelo). Na Figura
3.24 demonstrado tais configuraes.
Figura 3.24 Configuraes da cinemtica da suspenso
Foi inserido no software a curva de trabalho do amortecedor Fox
Float R, modelo utilizado no MBT12, juntamente com o Jounce e
Rebound. Conforme demonstrado pela Figura 3.25.
Figura 3.25 Curva de trabalho do amortecedor
10. Para os pneus, tanto dianteiros quanto traseiros, foi
utilizado um modelo simplificado, j inserido no software CarSim,
porm, certamente contm erros, sabe-se que os pneus fazem parte do
subconjunto mais relevante do automvel. Entretanto, pela falta de
informao dos fabricantes e mtodo de obteno desses valores, se fez
necessrio utilizar desta simplificao, podendo mascarar uma parte
dos resultados.
11. O subsistema de braos de direo se refere apenas ao
esteretipo ilustrado na simulao, logo, para o nosso teste dinmico
no tem relevncia.
4 RESULTADOS E DISUSSO
4.1 Validao do teste dinmico e modelo do
Baja MBT12 no software CarSim
Aps inserido os parmetros do veculo MBT12 (sem a barra
estabilizadora traseira) e desenvolvido o teste dinmico no software
CarSim, se faz necessrio realizar a validao dos mesmos.
O parmetro do subsistema de powertrain, foi analisado de maneira
a cronometrar o momento do incio do teste at o momento em que o
piloto estera o volante, no teste dinmico prtico (veculo real)
obteve-se um valor de aproximadamente 2,2 segundos, j no teste
dinmico virtual, obteve-se um valor de cerca de 2,42 segundos. Os
valores obtidos foram muito prximos, levando em considerao o grande
nmero de variveis deste ensaio os valores
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esto aceitveis, a Figura 4.1 demonstra tais resultados.
Figura 4.1 ngulo das rodas x Tempo Na Figura 4.1 tambm so
apresentados os esteramentos das rodas, sendo L1 (linha azul) a
roda interna da curva, e R1 (linha vermelho) a roda externa da
curva, onde representam exatamente o comportamento da geometria de
direo do Baja em questo, e permanecendo constantes at o termino do
teste.
Foi plotado o grfico da velocidade pelo tempo na Figura 4.2,
onde se visualizou que o incio do movimento do veculo no foi de
forma instantnea, devido ao fato do escorregamento da correia da
CVT. Contudo, o valor do tempo obtido at o esteramento das rodas
aproximou-se ainda mais do real.
Figura 4.2 Velocidade x Tempo
A velocidade mxima atingida no teste no ultrapassa os 20km/h
(Figura 4.2), logo, aceitvel a simplificao dos coeficientes de
aerodinmica.
Para a validao dos demais sistemas e do teste dinmico
propriamente dito, foi plotado as coordenadas X e Y do veculo,
ilustrado na Figura 4.3.
Figura 4.3 Coordenadas X e Y Conforme demonstrado na Figura 4.3,
ao longo dos seis metros o veculo permanece sem nenhuma alterao de
trajetria, s inicia o movimento lateral aps chegar ao ponto
indicado para efetuar o esteramento das rodas.
Contudo, sabe-se que estas coordenadas possuem um erro
conhecido, pois tomam medidas no centro da bitola dianteira. Logo,
somando o raio de giro obtido pela Figura 4.3 (5,25 metros) com a
distncia at a extremidade do veculo (0,65 metros), obtm-se uma
distncia de raio de curva de aproximadamente 5,9 metros, que
comparada com os 5,75 metros do teste dinmico prtico, relativamente
prximo e aceitvel, sabendo que o teste possui diversas variveis
aproximadas.
Para tirar a prova real da validao do software CarSim, se
utilizou o mesmo modelo anterior e instalou-se a barra
estabilizadora traseira, assim como nos testes reais. Para essa
instalao, optou-se por utilizar um valor de rigidez constante, que
foi obtido pelo carga P e pelo brao b ambos j citados no captulo 3,
o resultado desta rigidez de 23,18Nm. Logo, desta forma se gera uma
pequena discrepncia nos resultados, porm sabida, diferentemente se
tivesse sido imposto um valor de uma rigidez em funo da inclinao da
rolagem do carro. Contudo, plotou-se as coordenadas X e Y deste
teste. Demonstradas pela Figura 4.4.
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Figura 4.4 Coordenadas X e Y veculo com barra estabilizadora
Na Figura 4.4, pode-se analisar inicialmente uma trajetria menos
circular, quando comparada com a Figura 4.3, isso se deve ao fato
da traseira do veculo esterar mais (derrapar). Contudo, o raio de
giro ilustrado nas coordenadas de 4,86 metros, somada a distncia at
a extremidade (0,65 metros), obtm-se um valor de aproximadamente
5,51 metros, logo, o valor obtido no teste prtico de 5,35 metros,
valor aproximado ao encontrado na simulao virtual.
Com base nos resultados apresentados anteriormente, pode-se
dizer que o modelo est apresentando valores reais e aproximados aos
encontrados no teste dinmico prtico. Contudo, o modelo de simulao
do Baja MBT12 no software CarSim, est apresentando resultados
confiveis e desta maneira conclui-se que est validado.
4.2 Desenvolvimento do projeto da barra
estabilizadora traseira
Para o desenvolvimento do projeto da barra estabilizadora
traseira do veculo Baja MBT14, necessrio possuir o projeto da
suspenso traseira, que atravs de simulaes no software CarSim,
optou-se por no utilizar mais uma suspenso normal duplo A, pois
visualizou-se que quando o veculo possui um Toe-out nas rodas
traseiras, este ajuda o carro tornar-se mais oversteer. Contudo,
optou-se por uma suspenso traseira duplo A modificada, onde pode
ser chamada de multilink. Caracteriza-se por dois braos semelhantes
aos da suspenso duplo A e por mais um ligado diretamente no chassi,
esse
mecanismo gera um bump steering. Adicionou-se tambm um ngulo de
Caster de 5 na suspenso traseira, todo esse conjunto de alteraes
benfico para aumentar o oversteer do carro. A suspenso traseira est
sendo ilustrada pela Figura 4.5.
Figura 4.5 Suspenso traseira multilink Contudo, realizou-se
simulaes tanto da barra estabilizadora quanto da suspenso traseira
propriamente dita, onde foi analisado o conjunto como um todo,
sabendo que um influencia diretamente no funcionamento do
outro.
Foram feitas diversas iteraes no software CarSim, e os
resultados que mais apresentaram benefcios, levando em considerao
as caractersticas oversteer sem comprometer a dirigibilidade, foram
aumentar cerca de 30% a rigidez da barra estabilizadora quando
comparada com o Mockup produzido e testado, e gerar uma variao de
Toe-out em mdia de 0,04 para cada milmetro do curso da suspenso
traseira.
Com base nos parmetros anteriormente citados, iniciou-se uma
nova simulao do veculo Baja MBT14, este que utiliza as mesmas
configuraes do MBT12 porm com alteraes na suspenso traseira e na
barra estabilizadora. Contudo, gerou-se novamente um grfico similar
ao demonstrado na Figura 4.2, porm agora com as novas configuraes.
Percebe-se que mesmo com um ngulo de Toe-out a velocidade permanece
exatamente igual at os 6 metros (sem esterar o volante) quando
comparada com a simulao anterior, conforme demonstra a Figura
4.6.
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Figura 4.6 Velocidade x tempo com Toe-out Na Figura 4.7 est
sendo demonstrado as coordenadas X e Y do veculo MBT14.
Figura 4.7 Coordenadas X e Y veculo com barra estabilizadora e
Toe-out
Conforme demonstrado na Figura 4.7, o raio de curva do veculo
MBT14 cerca de 4,15 metros, somada a distncia at a extremidade
(0,65 metros), obtm-se um valor de aproximadamente 4,8 metros de
raio de curva. Percebe-se que a trajetria se parece com uma elipse,
devido ao veculo desde o princpio estar esterando a traseira
(derrapando).
4.2.1 Modelamento 3D no software
SolidWorks
Com base nas simulaes feitas no software CarSim, foi recalculado
a rigidez da barra estabilizadora. Onde levou-se em considerao o
bom funcionamento do Mockup e as geometrias
j definidas dos materiais que compem o sistema da barra
estabilizadora traseira. Logo, os valores encontrados para o
mecanismo esto demonstrados na Tabela 4.1 (as variveis esto
ilustradas na Figura 3.1).
Tabela 4.1 - Valores das variveis estipuladas Variveis
Valores
b = Distncia do brao 68 mm
L = Comprimento de trabalho da barra 413,4 mm d1 = Dimetro
interno do tubo 16,65 mm
d2 = Dimetro externo do tubo 19,05 mm
Contudo, modelou-se tanto a suspenso traseira quanto a barra
estabilizadora traseira do prottipo MBT14 no software SolidWorks
2014. Onde desenvolveu-se simultaneamente os dois projetos, logo,
isso ajudou a reduzir a quantidade de peas do conjunto e a tornar
um projeto simples, o que facilita a manuteno e aumenta a
funcionalidade do sistema. Na Figura 4.8 est sendo ilustrado a
suspenso traseira juntamente com a barra estabilizadora.
Figura 4.8 Suspenso traseira multilink e barra estabilizadora
traseira
Percebe-se que o conjunto da suspenso multilink possui
regulagens de Toe e cambagem, o que podem facilmente serem
ajustadas para cada situao. A barra estabilizadora tambm possui
regulagens no brao b (outro furo com distncia de 47mm) e na barra
de ligao (variando o ngulo de atuao da barra consegue-se mais ou
menos rigidez).
Baseado no regulamento imposto pela SAE Brasil, nas boas prticas
de engenharia e nos bons resultados obtidos no Mockup,
desenvolveu-se o projeto da barra estabilizadora traseira para o
Baja MBT14, onde possui uma quantidade total de 37 peas sendo que
possui apenas 14 cdigos de peas. A Figura 4.9 demonstra a vista
explodida do sistema, onde percebe-se a simplicidade do
projeto.
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Figura 4.9 Conjunto explodido da barra estabilizadora traseira
do Baja MBT14
5 CONCLUSES
Optou-se pela utilizao da barra estabilizadora na traseira do
veculo Baja MBT14, devido ao fato dela aumentar a transferncia de
carga e reduzir a rolagem do veculo, fatores que levam o pneu
externo da curva saturar precocemente, logo, antecipa a derrapagem
fazendo com que o raio de curva diminua.
Contudo, desenvolveu-se um Mockup onde foi utilizado materiais
de excelentes propriedades mecnicas. O Mockup foi de extrema
importncia para este trabalho, pois com ele obteve-se parmetros
para comparaes. Logo, viabilizou-se validar o teste pratico com o
teste virtual feito no software CarSim, os resultados obtidos foram
muito satisfatrios devido complexidade da simulao. Com base nas
simulaes do CarSim, foram feitas diversas iteraes, onde optou-se
por gerar um Toe-
out nas rodas traseiras juntamente com a barra estabilizadora
mais enrijecida, quando comparada com o Mockup. O resultado final
obtido do raio de curva simulado foi de 4,8 metros, cerca de 1,1
metros menor quando comparado com o primeiro teste virtual sem a
barra estabilizadora, este resultado certamente ir ajudar a tornar
o Baja MBT14 mais oversteer, sem comprometer a capacidade de
amortecimento do veculo e o funcionamento dos demais sistemas.
Com base nos resultados obtidos das simulaes, desenvolveu-se o
modelamento da barra estabilizadora em conjunto com a suspenso
traseira, o que trouxe grandes benefcios, tais como: reduo do nmero
de peas juntamente com a compatibilidade entre elas, facilidade de
manuteno e um sistema de extrema simplicidade.
Conclui-se ento, que o sistema atendeu as expectativas propostas
por este trabalho.
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