ESTRUTURA TIPO CHASSIS PARA UM MINI AUTOMÓVEL

Vinicius Grasse Destefani, Maurício Gomes das Virgens

Coordenação de EletromecânicaCampus GuarapariInstituto Federal do Espírito Santo - Ifes

viniciusdestefan@hotmail.com, mauriciogv@yahoo.com.br

Resumo - Uma das partes fundamentais de um automóvel é a estrutura ou chassi. Estruturas leves, resistentes e elásticas são estudadas até os dias de hoje. Outro ponto é o custo dessa peça. Novos materiais são desenvolvidos para a construção de novas estruturas visando-se reduzir os custos com a matéria prima, a mão de obra e os contaminadores e poluentes. Nesse projeto foi desenhada e construída uma estrutura para um automóvel de baixo custo resistente a flexão de cargas verticais de 200 kgf. A estrutura tem comprimento máximo 2m e deve assentar uma pessoa. A proposta é construir o “esqueleto” com “barras retangulares de aço” do tipo Metalon que flexione elasticamente. Além da carga o chassis proposto possui as seguintes características: (i) dimensões e medidas definidas em desenho bidimensional; (ii) plataforma para um assento; (iii) plataforma de chapa para apoio dos pés; (iv) plataforma para motor e tanque de gasolina; (v) base/suporte para a os eixos dianteiro e traseiros; (vi) suporte para direção. A estrutura é feita com base nas estruturas tipo chassis de longarina. A única diferença será a substituição das longarinas laterais por tubos retangulares. Como principal resultado espera-se que a estrutura possa ser utilizada em um mini automotor e possa servir como plataforma de estudo de elementos de máquinas, de novas tecnologias de pneus, transmissões e motores de baixa potência (até 13 cavalos).

Palavras-chave: Estrutura, chassis, flexão.

Abstract - One of the fundamental parts of an automobile is the structure or chassis. Structures lightweight, strong and elastic are studied these days. Another point is its cost. New materials are developed for the construction of new structures aiming to reduce the material cost, labor and contaminants and pollutants. In this project was designed and constructed a structure with low cost and resistant to suport vertical loads of 200 kgf. The structure has maximum length of 1,95m and should stand a person. The proposal is to build the "skeleton" with "rectangular bar steel" type Metalon to flex elastically. In addition to the proposed load the chassis has the following characteristics: (i) defined by dimensions and measures two-dimensional drawing, (ii) a platform for a seat, (iii) platform for supporting the feet, (iv) plataform to engine and gasoline tank, (v) base / support for the front and rear axles, (vi) support for direction. The frame is made based on the spar type structures chassis. The only difference is the substitution of the side rails to rectangular tubes. The main result is expected that the structure can be used in a little vehicle and can serve as a platform for studying machine elements, new technologies for tires, engines and transmissions for low potency engines (up to 13 horsepower).

Key-words: structure, chassis flexing.

INTRODUÇÃOA ideia de se construir uma maquina que pudesse facilitar o movimento de translação de

objetos e/ou pessoas de um lugar para outro surgiu a muito tempo atrás. Segundo a história [1], os primeiros carros eram movidos pela ação do vento e pela ação dos músculos humanos e datam de 1600. A atribuição do inventor do primeiro automóvel á alvo de discussão até os dias de hoje. Embora se diga que Daimler e Benz inventaram o automóvel em 1886, muitas discussões e reclamações são feitas a respeito do crédito [2]. Se definirmos automóvel como uma máquina que tem a capacidade de transportar objetos e/ou pessoas de um lugar para outro utilizando a própria energia, os créditos de invenção ficam muito difíceis de serem atribuídos. Por exemplo, sabe-se que em 1769 o Engenheiro da artilharia Francesa Nicolas Joseph Cugnot construiu um veículo com três rodas movido a vapor. Mais adiante muitas outras máquinas auto móveis surgiram, movidas por vapor, combustíveis líquido e gasoso. Ou seja,

diversos automóveis foram inventados em locais e épocas distintas e quem foi o primeiro inventor ainda não está bem definido. Em 1886 Daimler e Benz propuseram um automóvel como um carro leve para o transporte pessoal, com três ou quatro rodas, movido por um motor de combustão interna de combustível líquido talvez e desse tipo de automóvel eles sejam os inventores [1].

Dentre as partes importantes de um automóvel cabe ressaltar a estrutura. A estrutura de um automóvel pode ser do tipo chassis, plataforma ou monobloco [3,4]. As estruturas do tipo chassis e plataforma dão a resistência estrutural ao carro, recebendo a carroçaria (estrutura com assentos, janelas, etc, que acomoda a carga a ser transportada) e sustentando a carga total (motor, carroçaria e carga externa a ser transportada) sobre a estrutura.

Nos dias de hoje, empregam-se chassis ou plataforma na sua forma clássica apenas nos veículos de mercadorias médios e pesados (Chevrolet D20, Toyota Hilux). A estrutura do tipo monobloco é utilizada na construção de automóveis ligeiros, e também para os veículos de mercadorias de baixo peso bruto. A Figura 1 apresenta os 03 tipos de estruturas para automóveis.

Figura 1. Tipos de estrutura para automóveis [3,4].

O chassis e/ou a plataforma (Figura 1) sofrem esforços mecânicos variados e complexos durante o movimento do veículo. Estas estruturas devem possuir os seguintes requisitos [3,4]:

Plataforma

Monobloco

Chassis

Ser fabricado em material de boa resistência à fadiga; Ter uma forma que apresente boa resistência à deformação, e isto em todos os

sentidos; Ter uma forma que apresente boa resistência à torção; Ter um peso relativamente pequeno, de modo a manter num valor baixo a relação

peso-potência.

Em geral, os chassis são fabricados com aço de boa qualidade, com baixo teor de carbono, objetivando-se obter uma boa resistência aos esforços mecânicos, facilidade de ligação das diversas partes e um peso limitado. Os chassis podem ser, basicamente, de 03 tipos: chassis de longarinas, chassis em X e chassis do tipo tubular [3,4]. Assim como para os créditos da invenção do automóvel, o inventor do chassis de longarinas não é definido. Já o chassis em X, utilizado durante muito tempo em automóveis usados em corridas, tem-se o registro de patente por John Joseph McGuire em 1922, Nova York, Estados Unidos [3,5]. O chassis de longarinas (Figura 1) é constituído por duas longarinas paralelas, ligadas entre si através de travessas simples ou dispostas em forma de cruz. As longarinas e as travessas possuem suportes próprios para a ligação das suspensões e para a fixação dos diversos grupos que constituem o veículo automóvel [2]. O chassis em X (Figura 2) já foi bastante utilizado em automóveis desportivos. A forte viga central compensa a falta de rigidez das carroçarias leves (por vezes em plástico ou fibra) dos veículos de desporto (fórmulas 1, 2 e 3, por exemplo). O chassis tubular é obtido pela união de diversos elementos tubulares que dão ao veículo muita leveza e permitem o emprego de carroçarias de plástico ou fibra. Esse é pouco utilizado devido à mão de obra demorada e custosa de sua produção.

Figura 2. Estrutura do tipo chassis. (a) Chassis em X e (b) chassis tubular [3,4,6].

(a)

(b)

Nesse trabalho apresentamos uma estrutura do tipo chassis para um mini automóvel que suporte carga vertical de 200 kgf. Além da carga o chassis proposto possui as seguintes características: (i) dimensões e medidas definidas em desenho bidimensional; (ii) plataforma para um assento; (iii) plataforma de chapa para apoio dos pés; (iv) plataforma para motor e tanque de gasolina; (v) suporte para a os eixos dianteiro e traseiros; (vi) base/suporte para direção. A estrutura será feita a partir de tubos retangulares costurados de aço chamados metalon [7] e terá como base as estruturas tipo chassis de longarina. A única diferença será a substituição das longarinas laterais por tubos retangulares. Como principal resultado espera-se uma estrutura que possa ser utilizada em um automotor, que possa servir como plataforma de estudo de elementos de máquinas, de novas tecnologias de pneus, transmissões e motores de baixa potência (até 13 cavalos, estacionário ou de motocicleta), voltadas para automóveis. A estrutura, por enquanto, não será submetida a ensaios técnicos de tração e torção, uma vez que esses demandam um maior investimento.

METODOLOGIAO material a ser utilizado na estrutura é uma das partes mais importantes a ser estudado.

O material escolhido foi o tubo de aço retangular do tipo Metalon (aço doce) na medida 50mm x 30mm x 1,5mm [7]. Este material foi escolhido através de estudos em livro de resistência dos materiais, em sites específicos e catálogos. O Metalon tem pequeno custo, boa resistência mecânica e boa resistência a oxidação. Dessa forma a estrutura não será danificada com a exposição repetida as condições de uso e tempo o que tornará a estrutura mais barata com a utilização a longo prazo. Como base para o desenho, projeto e a construção da estrutura foram discutidas muitas ideias que surgiram em estudos dirigidos. Antes da construção pratica da estrutura alguns testes teóricos foram feitos para quem não houvesse erros quanto às proporções de material e esforços suportados em determinados pontos.

Um desenho em escala foi feito para melhor compreensão do projeto da estrutura e os seus possíveis erros. Para desenho da estrutura foi utilizado um programa com vários recursos que atenderiam aos objetivos esperados - O Solid Works [8]. Com material especificado, estrutura projetada, e os cálculos necessários, deram-se inicio o desenvolvimento da estrutura na prática.

Para a construção da estrutura foi necessário à utilização de 9 metros de tubos retangulares de Metalon, com um custo de R$8.33,00 por metro de tubo. Para cortar os tubos utilizou-se uma serra de corte em ferro chamada Serra de cortar ferro SC-100 motomil. Após o corte das barras longas e transversais (L e T na Figura 1), deu-se inicio a união das peças para formar a estrutura completa. A união foi feita utilizando-se solda do tipo MIG (Metal Inert Gas) [9], que faz a união de tubos de Metalon com ótima precisão e qualidade.

RESULTADOS

A estruturaA Figura 3 mostra o desenho da estrutura proposta e confeccionada para o mini

automóvel destacando as partes e as medidas em escala real (de construção). A estrutura é similar à de chassis de longarina [3,4]. O chassis tem duas barras laterais longas de 194 cm (L1 e L3) e duas laterais curtas (L2 e L4) de 52,29 cm e 70,70 cm, respectivamente. Junto a barra transversal T1 foi colocado um suporte para a caixa de direção, que sugerimos de automóvel de passeio. Nesse caso, o sistema de direção (caixa, barra e mangas) pode ser soldado ou preso por parafusos ao suporte. As barras T3 e T4, juntas, formam o suporte para o assento do motorista. Sugerimos um banco de Kart para esse assento. Duas chapas com formato de trapézio (base maior: cm, base menor: cm, altura: cm ). A base do motor.

Figura 3.Desenho da estrutura do mini automóvel (vista superior) com as medidas reais em centímetros (cm). As barras L1, L2, L3 e L4 são as barras laterais da estrutura enquanto as

barras T1, T2, T3 e T4 são as barras transversais da estrutura.

A Figura 3 mostra o desenho da estrutura proposta e confeccionada para o mini automóvel destacando as partes e as medidas em escala real (de construção). A estrutura é similar à de chassis de longarina [3,4]. O chassis tem duas barras laterais longas de 194 cm (L1 e L3) e duas laterais curtas (L2 e L4) de 52,29 cm e 70,70 cm, respectivamente. Junto a barra transversal T1 foi colocado um suporte para a caixa de direção, que sugerimos de automóvel de passeio. Nesse caso, o sistema de direção (caixa, barra e mangas) pode ser soldado ou preso por parafusos ao suporte. As barras T3 e T4, juntas, formam o suporte para o assento do motorista. Sugerimos um banco de Kart para esse assento. Duas chapas com formato de trapézio (base maior: cm, base menor: cm, altura: cm ). A base do motor.

Uma chapa de 2 mm foi utilizada para formar a base para o motor. A plataforma foi feita num nível mais baixo que a estrutura principal do chassis para permitir que o eixo do motor fique o mais alinhado horizontalmente com o eixo de transmissão, fazendo com que a corrente/correia de transmissão fique o mais horizontal possível. Dessa forma a força vertical resultante sobre o eixo é minimizada.

As barras transversais T2 e T3 recebem o acento para a carga principal de 200kgf. Foi tomado o cuidado de se posicionar o assento da carga principal no centro da estrutura parcial formada pelas barras T2 e T3. Com isso, a força vertical principal aplicada sobre a estrutura é dividida por 04 forças iguais localizadas.

Figura 4. Desenho da estrutura do mini automóvel (vista lateral) com as medidas reais em centímetros (cm). Destaca-se a base para aderência do eixo, a base para o motor e os mancais

para o eixo de tração.

Esforço cisalhante e momento fletorUtilizando as equações de equilíbrio estático [10] para força resultante (FR) e momento

resultante (MR)

FR=∑ F=0 e M R=∑ M=0 (1)

Foi calculado que as barras transversais T2 e T3 recebem cada uma duas forças com relação a proposta do projeto P= 200 kgf. Logo, temos que F = P/4=50 kgf. A força atua nas barras T2 e T3 de acordo com a Figura 5.

Figura 5. Barras da estrutura tipo chassis que sustentam a carga principal (200 kgf) e as forças que atuam nas mesmas.

Na estrutura desse projeto as barras que recebem maiores esforços de tração, cisalhamento e flexão são as barras laterais L1 e L3. O Diagrama de forças sobre a barra L1

F FN1 N1

F FN1

N1

8 cm 8 cm

7 cm 7 cm

62 cm

60 cm

(idêntica a barra L3) é mostrado na Figura 6a. Utilizando as relações da equação (1) para satisfazer o equilíbrio estático de toda a viga pode-se determinar E1=E2=F=P/4. Para determinar as funções e os diagramas de esforço cisalhante (V) e momento fletor (M) foram utilizadas as relações da equação (1) para os seccionamentos parciais da barra (método das seções) entre os segmentos AB, BC e CD. Os cálculos foram feitos com relação a A [11]. Foram obtidos os seguintes resultados para V(x) e M(x):

AB: { V =P/4M=(P /4) x

BC: { V=0M=( P/4 ) .69,5

CD: { V=−P /4M=(159 )−(P /4 )x

Os Diagramas de esforço cisalhante e momento fletor são mostrados nas Figuras 6b e 6c.

Figura 6. (a) diagrama de forças, (b) função de esforço cisalhante e (c) função de momento fletor sobre a viga lateral L1 da estrutura de chassis.

A tensão de flexão máxima (max) pode ser obtida pela relação (2) [11]

σ max=(M max . c)/ I(2), onde Mmax é o momento fletor máximo 347,5 N.m, c=15mm = 0,0015m é a distância perpendicular mais afastada da linha neutra da barra onde |M| é máximo e I é o momento de inércia da área de seção transversal: I=(1/12).(0,05).(0,033 – 0,02853)=1,605x10-8 m4. Daí

20,0 cm69,5 cm

F F

69,5 cm

A B C D

V(kgf)

50

-50

V(kgf.cm)

3475

x(cm)

x(cm)

E1E2

(a)

(b)

(c)

temos que max ~ 40Mpa. Esse resultado representa aproximadamente 40% da tensão máxima de escoamento da barra fornecida pelo fabricante [7].CONCLUSÕESUma estrutura tipo chassis foi construída para um mini automóvel. Desenhos técnicos das vistas da estrutura foram feitos e as funções para o esforço cisalhante e o momento fletor foram determinadas para a barra sujeita a um maior esforço de flexão. Além disso, o chassis possui as seguintes características: (i) plataforma para um assento; (ii) plataforma de chapa para apoio dos pés; (iii) plataforma para motor e tanque de gasolina; (iv) base/suporte para a os eixos dianteiro e traseiros; (v) suporte para direção.

REFERÊNCIAS[1] Eckermann E., World History of The Automobile, Erik Eckermann, 2001.[2] Collier J. L., The Automobile, Benchmark Books, 2005.[3] Genta G., Morello L., The Automotive Chassis, springer – ebook, 2009.[4] CEPRA. Estrutura de carroçarias de veículos ligeiros, disponível em: http://opac.iefp.pt:8080/images/winlibimg.exe?key=&doc=72896&img=382. Acesso em Outubro de 2012.[5] MOTORERA. Automobile History: body and chassis, disponível em: http://www.motorera.com/history/hist09.htm. Acesso em Novembro de 2012.[6] Disponível em: http://www.flickr.com/photos/12697237@N05/6261173042/, Acesso em Novembro de 2012.[7] TUBONASA: Catálogo de tubos de aço, disponível em: http://www.tubonasa.com.br/ Acesso em Novembro de 2012.[8] DASSAULT SYSTÈMES SOLIDWORKS CORP., Solid Works, 2010, programa de computador.[9] Fogagnolo J. B., Introdução a processos e metalurgia de soldagem, Universidade de Campinas, São Paulo, 2011.[10] Hibbeler r. c., estática: mecânica para engenharia, editora pearson, 2005.[11] Hibbeler r. c., Resistência dos Materiais, editora pearson, 2003.