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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

alessanderpf@hotmail.com

Autor 2 Prof. Dr. Mrcio Walber

mwalber@upf.br

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

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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

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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

23

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.

24

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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