Relatorio Técnico - PROJETO DE BARRA ESTABILIZADORA TRASEIRA PARA O VEÍCULO BAJA SAE

UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDO

FACULDADE DE ENGENHARIA E ARQUITETURA

ENGENHARIA MECNICA

PROJETO DE BARRA ESTABILIZADORA TRASEIRA PARA O VECULO BAJA

SAE

Aluno: Alessander Specht Schmitz

Professor Orientador: Prof. Dr. Mrcio Walber

DISCIPLINA TRABALHO FINAL DE GRADUAO I

Passo Fundo, novembro de 2013

PROJETO DE BARRA ESTABILIZADORA TRASEIRA PARA O VECULO BAJA

SAE

por

Alessander Specht Schmitz

Monografia apresentada ao curso de Engenharia Mecnica da Universidade de Passo

Fundo como pr-requisito para a aprovao na disciplina Trabalho Final de Graduao I.

Orientador: Prof. Dr. Mrcio Walber

Comisso de Avaliao:

Prof. Dr.(Ms.) - FEAR / UPF

Prof. Dr.(Ms.) - FEAR / UPF

Prof. Dr. Mrcio Walber

Prof. Dr. Charles Leonardo Israel

Coordenao Trabalho Final de Graduao I

Passo Fundo, novembro de 2013

ii

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. Com auxlio do

mtodo dos elementos finitos verifica-se a integridade do sistema, para no haver falha.

Ser realizado uma anlise da dinmica do carro, utilizando todos os parmetros

originais do prottipo atual para conseguir valid-lo no software CarSim Mechanical

Simulation, e ento acrescentar os novos dados da barra estabilizadora e estudar como o

carro se comporta dinamicamente. Busca-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.

iii

NDICE

1 INTRODUO ................................................................................................................... 1

1.1 Objetivos ............................................................................................................................ 1

1.1.1 Objetivo geral ................................................................................................................. 1

1.1.2 Objetivos especficos ...................................................................................................... 2

2 REVISO BIBLIOGRFICA .......................................................................................... 3

2.1 O veculo Baja SAE ........................................................................................................... 3

2.2 Pneu ................................................................................................................................... 4

2.2.1 Trao do pneu versus carregamento .............................................................................. 4

2.2.2 Aderncia e escorregamento ........................................................................................... 6

2.2.3 Crculo de Kamm ............................................................................................................ 6

2.3 Conceitos de dinmica veicular ......................................................................................... 7

2.4 Transferncia de carga ....................................................................................................... 8

2.4.1 Transferncia de carga longitudinal ................................................................................ 9

2.4.2 Transferncia de carga lateral ......................................................................................... 9

2.5 Pino Mestre ...................................................................................................................... 11

2.6 ngulo de Caster ............................................................................................................. 12

2.7 Camber ............................................................................................................................. 13

2.8 Fundamentos de direo .................................................................................................. 14

2.8.1 Geometria de Ackerman ............................................................................................... 14

2.8.2 ngulo de Toe ............................................................................................................... 16

2.9 Suspenso do tipo duplo A .............................................................................................. 17

2.10 Centro de rolagem (Roll Center).................................................................................... 18

2.11 Barra estabilizadora ....................................................................................................... 21

2.11.1 Mecanismo da barra estabilizadora ............................................................................. 21

2.11.2 Efeitos das barras estabilizadoras ............................................................................... 22

2.11.3 Equacionamento da barra estabilizadora .................................................................... 23

iv

2.11.4 Material e geometria da barra estabilizadora .............................................................. 26

2.12 Mancais de deslizamento ............................................................................................... 27

2.13 Fundamentos dos mtodos dos elementos finitos (MEF) .............................................. 29

2.14 Sntese do captulo ......................................................................................................... 31

3 DESENVOLVIMENTO ................................................................................................... 32

3.1 Material e geometria da barra estabilizadora ................................................................... 32

3.2 Clculo da fora exercida na extremidade do brao ........................................................ 33

3.3 Clculo do ngulo de toro ............................................................................................ 33

3.4 Material e geometria do mancal ....................................................................................... 35

3.5 Mecanismo de ligao ..................................................................................................... 35

3.6 Anteprojeto ...................................................................................................................... 37

4 RESULTADOS E DISCUSSES .................................................................................... 38

5 CONCLUSO ................................................................................................................... 40

6 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ............................................................................ 41

v

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 Croqui do veculo Baja SAE da UPF ..................................................................... 3

Figura 2.2 Conjunto da suspenso traseira atual ..................................................................... 4

Figura 2.3 Fora lateral versus carregamento .......................................................................... 5

Figura 2.4 Coeficiente de atrito (aderncia) versus percentual de escorregamento, em alguns

tipos de pista em variadas condies .................................................................................. 6

Figura 2.5 Crculo de Kamm, mostrando o veculo acelerando enquanto vira a direita ......... 7

Figura 2.6 Comportamento dinmico dos carros .................................................................... 8

Figura 2.7 Eixos de referncia do carro ................................................................................... 9

Figura 2.8 Transferncia de carga lateral .............................................................................. 10

Figura 2.9 Carregamento dos pneus em uma curva............................................................... 11

Figura 2.10 ngulo de pino mestre com projees do Scrub positivo e negativo ................ 12

Figura 2.11 Configurao de Caster negativo e positivo na roda dianteira de um carro....... 13

Figura 2.12 ngulo de Camber positivo e negativo .............................................................. 13

Figura 2.13 Configurao da Geometria de Ackerman ......................................................... 14

Figura 2.14 Mecanismo de esteramento trapezoidal ........................................................... 15

Figura 2.15 Configurao de toe-in e toe-out. ....................................................................... 16

Figura 2.16 Suspenso do tipo duplo A ................................................................................. 17

Figura 2.17 Posio do centro de rolagem ............................................................................ 18

Figura 2.18 Centro de rolagem varivel ................................................................................ 19

Figura 2.19 Eixo de Rolagem ................................................................................................ 19

Figura 2.20 Variao de Camber ao rolar o veculo .............................................................. 20

Figura 2.21 Ao da barra estabilizadora na curva ............................................................... 21

Figura 2.22 Mecanismo da barra estabilizadora .................................................................... 22

Figura 2.23 Tipos de barras estabilizadoras .......................................................................... 22

Figura 2.24 Esquema bsico de uma barra estabilizadora ..................................................... 23

Figura 2.25 Corte de um mancal de deslizamento ................................................................ 27

Figura 2.26 Detalhes das buchas ........................................................................................... 28

Figura 2.27 Deslocamento de um elemento mola ................................................................. 30

Figura 2.28 Graus de liberdade de uma viga com um n em cada extremidade ................... 31

Figura 3.1 ngulo de toro inicial ....................................................................................... 34

vi

Figura 3.2 ngulo de toro final .......................................................................................... 34

Figura 3.3 Croqui do mancal da barra estabilizadora ............................................................ 35

Figura 3.4 Dimenses do terminal rotular Aurora HXAB-4T .............................................. 36

Figura 3.5 Anteprojeto da barra estabilizadora ..................................................................... 37

Figura 4.1 Barra estabilizadora instalada no veculo Baja SAE ............................................ 38

vii

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 - Vantagens e desvantagens da suspenso Dupla A ............................................... 17

Tabela 2.2 - Coeficiente de trabalho do material (k) ................................................................ 24

Tabela 3.1 - Valores das variveis estipuladas ......................................................................... 32

Tabela 3.2 - Especificaes do uniball Aurora HXAB-4T ...................................................... 37

viii

LISTA DE SMBOLOS

Kg Quilograma

CVT Transmisso continuamente varivel

CG Centro de gravidade

g Gravidade

m Metros

s Segundos

CGh Altura do centro de gravidade

P Massa total do carro

Tp Transferncia de carga longitudinal

gs Fora centrfuga

T Bitola do carro

i ngulo interno da roda

o ngulo externo da roda

L Entre eixos

1R Raio de curvatura

CIR Centro instantneo de rotao da roda

KPa Quilopascal

HRC Rockwell C

SAE Society of Automotive Engineers

Mt Momento torsor

P Fora exercida na extremidade do brao

b Distncia do brao

Mr Momento resistente

k Coeficiente de trabalho do material

ix

r Raio da seo circular

d Dimetro da seo

lp Momento polar de inrcia

4

2d Dimetro externo do tubo

4

1d Dimetro interno do tubo

ngulo de toro

G Mdulo de elasticidade transversal do material

L Comprimento de trabalho da barra

f Fora atuante dos ns

K Matriz rigidez

u Deslocamento dos ns

N newton

C Graus Celsius

MPa Megapascal

mm Milmetros

1

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 mesmas 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 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

1.1.1 Objetivo geral

Desenvolver o projeto, anlise de integridade e anlise dinmica da barra

estabilizadora traseira para o veculo Baja SAE da Universidade de Passo Fundo, respeitando

o regulamento imposto pela SAE Brasil.

2

1.1.2 Objetivos especficos

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 a integridade do sistema pelo mtodo de elementos finitos;

Analisar dinamicamente o conjunto funcional do carro, com nfase no sistema da barra estabilizadora.

3

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

4

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 10,8Kg. 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].

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).

5

A relao entre a entrada do pneu e as foras de sada diferente para cada pneu, pois

a relao muda dramaticamente 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: Milliken e Milliken, 1995)

6

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 (aderncia) 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.

7

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.

Figura 2.5 Crculo de Kamm, mostrando o veculo acelerando enquanto vira a direita

(Fonte: 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 de

rua, mais comum encontrar carros com tendncias understeer, pois no precisam de

experientes motoristas para dirig-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

8

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

9

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 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:

10

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)

11

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


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

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

12

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


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.

13

Figura 2.11 Configurao de Caster negativo e positivo na roda dianteira de um carro


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


14

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.

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


15

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

arctan

1TR

Lo

(2.3)

2

arctan

1TR

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


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.

16

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.

Figura 2.15 Configurao de toe-in e toe-out.


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.

17

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


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.

18

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: 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. 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. 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.

19

Figura 2.18 Centro de rolagem varivel

(Fonte: 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


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

20

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

(Fonte: 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.

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

21

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


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.

22

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


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

23

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

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: Rios, 1998)

24

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.

25

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)

32

)( 414

2 ddlp

(2.10)

Onde:

4

2d = Dimetro externo do tubo;

4

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)

dk

bP dd

32

)(24

1

4

2

(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

)(

324

1

4

2

ddG

LbP

(2.14)

26

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)

32180

)( 414

2

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

27

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

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.

28

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.

29

2.13 Fundamentos dos mtodos dos elementos finitos (MEF)

Conforme Azevedo e Farage (2011), o mtodo dos elementos finitos no considera

pores infinitesimais do material. Em situaes em que impossvel uma soluo exata pela

complexidade do sistema sob anlise, emprega-se o mtodo dos elementos finitos para anlise

do problema.

Consiste basicamente na diviso do meio contnuo em diversos elementos de massa

finita. Para cada elemento, calcula-se as deformaes, tenses e deslocamentos como se ele

fosse um sistema isolado. As condies de contorno destes clculos so estipuladas pelos

elementos vizinhos, de forma que os deslocamentos calculados nos vrtices dos elementos

(ns) devem ser compatveis (levando em considerao o erro mximo estipulado para as

aproximaes) queles do elemento vizinho que compartilha daquele vrtice. O mtodo dos

elementos finitos consiste, ento, em um mtodo de iterao no qual se procura alcanar um

resultado no qual as respostas de cada elemento do sistema sejam compatveis quelas dos

elementos vizinhos.

Segundo Alves (2011), os elementos do espao discretizado so denominados

elementos finitos. Os vrtices destes elementos so denominados ns. O clculo deste mtodo

se d basicamente sobre os ns. Ao simular um carregamento em uma estrutura por

elementos, primeiramente necessrio criar uma malha (conjunto de elementos finitos que

abrange toda a estrutura sob anlise). O carregamento informado ao software ser ento

dividido em diversas foras atuantes sobre os ns e calcula-se deslocamentos de cada n da

malha atravs da matriz rigidez conforme a Equao 2.17, de modo que se tenha um resultado

final para toda a estrutura.

uKf (2.17)

Onde:

f = Fora atuante dos ns;

K = Matriz rigidez;

u = Deslocamento dos ns.

A matriz rigidez funo do material e da geometria, corresponde ao parmetro mais

importante para o clculo por elementos finitos. Quanto mais graus de liberdade a estrutura

sob anlise apresentar, maior ser a matriz, sendo esta sempre quadrada. Entende-se por graus

de liberdade as diversas possibilidades de deslocamentos apresentados para determinada

30

estrutura. Se analisarmos uma mola, por exemplo, como um elemento apenas e com dois ns,

um em cada extremidade da mola, cujas possibilidades de deslocamento se refletem apenas

nas distenso e compresso dela, temos dois graus de liberdade, conforme mostrado na Figura

2.27.

Figura 2.27 Deslocamento de um elemento mola

(Fonte: Alves, 2011)

A matriz rigidez de um elemento de mola ser, ento, uma matriz quadrada 2x2.

Representada na Equao 2.18.

KK

KK

KK

KKK

2221

1211][

(2.18)

Sendo ( K ) a constante de rigidez da mola sob questo.

Interpretando a matriz de rigidez, o elemento (Kij) representa a fora necessria a ser

aplicada ao n ( i ) da estrutura que ir gerar um deslocamento unitrio no n ( j ) da mesma,

estando todos os outros ns da estrutura bloqueados, com deslocamento nulo. Desta forma,

pela matriz de rigidez ilustrada na Equao 4, observa-se que o elemento (K11) corresponde

constante de rigidez da mola ( K ), ou seja, quando aplicada uma fora de intensidade ( K ) no

n 1 do elemento sob anlise, este apresentar um deslocamento unitrio considerarmos todos

os outros nos bloqueados, no caso, se considerarmos o n 2 com deslocamento nulo.

O nmero de linhas e colunas da matriz rigidez igual ao nmero de graus de

liberdade que a estrutura sob anlise apresentar. Para uma viga no espao com um n em cada

extremidade, cada n pode deslocar no espao de 6 formas diferentes, 3 rotaes e 3

translaes. A matriz rigidez para tal estrutura ser 12x12. A Figura 2.28 ilustra os 12 graus

de liberdade.

31

Figura 2.28 Graus de liberdade de uma viga com um n em cada extremidade

(Fonte: Alves, 2011)

Segundo Azevedo e Farage (2011), o conceito do mtodo dos elementos finitos surgiu

da ideia de que, entendendo-se as partes pode-se compreender o todo. Mas ao se dividir uma

estrutura continua em diversos elementos finitos, cria-se um sistema de equaes esttica para

cada elemento cujas condies de contorno so as resolues destas mesmas equaes para o

elemento vizinho. Desta forma, gera-se um grande sistema de equaes que justifica o esforo

computacional intenso para obteno de um bom resultado em anlises por elementos finitos.

A determinao destes parmetros se trata de um balano custo-benefcio, de acordo com o

quo acurado deseja-se obter os resultados e da capacidade de processamento de que se

dispem para obt-los.

2.14 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.

32

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, aumento da transferncia de carga para o lado de fora 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 alguns ensaios e pesquisas 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.

Tabela 3.1 - Valores das variveis estipuladas

Variveis Valores

b = Distncia do brao 60 mm

L = Comprimento de trabalho da barra 607,5 mm

d2 = Dimetro interno do tubo 17,85 mm

d2 = Dimetro externo do tubo 19,05 mm

d = Dimetro do tubo 19,05 mm

33

3.2 Clculo da fora exercida na extremidade do brao

Com base na Equao 2.12, pode-se isolar a fora exercida na extremidade do brao

(P), onde obtemos a Equao 3.1.

db

ddkP

32

)(2 414

2 (3.1)

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.

Resoluo da Equao 3.1.

Nmm

mm

N

P 09,425

100005,1932

100060

100085,17

100005,192

1082 4

446

(3.1)

Transformando esse resultado em quilogramas obtemos um valor aproximado de

43,33Kg, 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 3.1. O mdulo de elasticidade

transversal da barra (G), obtido pelas caractersticas do material da barra.

Resoluo da Equao 2.14.

55,12

180

100085,17

100005,19

1075

10005,607

10006009,42532

444

9

mm

N

mmN

(2.14)

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.

34

Na Figura 3.1 demonstrado o ngulo de toro inicial com a suspenso estendida,

onde obteve-se uma inclinao de 29,50 com a vertical.

Figura 3.1 ngulo de toro inicial

Na Figura 3.2 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 3.2 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

35

menos final) obtm-se um ngulo de toro de 12,82, o que muito prximo do obtido por

clculos.

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 3.3 est ilustrado o croqui do projeto do mancal.

Figura 3.3 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

36

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 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 3.4 demonstrado as dimenses expressas em polegadas do uniball HXAB-4T.

Figura 3.4 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.

37

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

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 Anteprojeto

Baseado nos conceitos automobilsticos de dinmica veicular apresentados no captulo

anterior 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 3.5.

Figura 3.5 Anteprojeto da barra estabilizadora

38

4 RESULTADOS E DISCUSSES

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 empregado

para esses carros, pois aumenta a transferncia de carga e reduz a rolagem do carro quando se

faz uma curva.

Posteriormente ser desenvolvido o anteprojeto da barra estabilizadora, foi efetuado a

sua produo e instalao 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 4.1.

Figura 4.1 Barra estabilizadora instalada no veculo Baja SAE

Nos testes dinmicos prticos com o veculo, percebeu-se um aumento na sada de

traseira do carro ao curvar, sendo que o carro passou de 2,9m de raio de curva mnimo para

2,4m, diminuindo consideravelmente devido somente a atuao da barra estabilizadora.

39

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.

40

5 CONCLUSO

Com o sistema da barra estabilizadora selecionado, visou-se utilizar materiais de

excelentes propriedades mecnicas, um mecanismo de funcionamento com grande eficincia e

que esteja adequado ao regulamento da SAE Brasil. Onde as expectativas do projeto sejam

cumpridas, fazendo com que o veculo Baja SAE se torne ainda mais oversteer auxiliando nas

provas dinmicas da competio, sendo o projeto da barra estabilizadora de fcil manuteno

e utilizando o menor nmero de componentes possvel, garantindo assim, uma grande

confiabilidade de projeto.

No Trabalho Final de Graduao II (TFG II) ser efetuado a anlise dinmica do veculo

Baja SAE, onde sero inseridos todas as configuraes do carro dentro do software CarSim

Mechanical Simulation, afim de validar o modelo computacional com o prottipo construdo

do Baja. Ser feito iteraes de configuraes para a barra estabilizadora analisando-a

dinamicamente, optando pela que se mostrar mais eficiente, realiza-se ento um comparativo

do veculo sem a barra e com a barra estabilizadora. Feito isso, efetua-se o modelamento de

todos os conjuntos da barra estabilizadora com o auxlio do software SolidWorks, para serem

realizados os clculos de validao da integridade do sistema pelo mtodo dos elementos

finitos.

41

6 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

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Documents

Relatorio Técnico - PROJETO DE BARRA ESTABILIZADORA TRASEIRA PARA O VEÍCULO BAJA SAE