Ladder frame

É considerado uma das formas mais antigas de chassi automotivo e ainda vem sendo usado pela maioria dos SUV’s (Veículo Utilitário Esportivo) até hoje (CHANDRA, 2012). A maior vantagem desse tipo de estrutura quando se faz referência a sua utilização, é a elevada adaptabilidade para acomodar uma grande variedade de formas e tipos de carrocerias, variando desde furgões, pick-ups e até caminhões. Dessa forma, muitos carros se utilizam desse tipo de chassi porque não se torna complexo de se fabricar e confere ao veículo boa resistência à flexão. Como o próprio nome indica, “ladder” (escada), esse tipo se assemelha ao formato de uma escada formada por vigas longitudinais chamadas de longarinas e interligadas por várias vigas transversais chamadas travessas. Oliveira (2007) explica que as longarinas vão ter como função principal suportar os carregamentos provenientes da aceleração e frenagem enquanto as travessas fornecem resistência às cargas laterais, e garantem o travamento da estrutura como um todo.

Um exemplo de chassi do tipo escada é mostrado na Fig. (11) abaixo. Figura 11 – Exemplo de um chassi do tipo escada

Fonte: Parreira, 2009

É usualmente construído por tubos com perfil circular, retangular ou em perfil canal aberto tipo “C”. Segundo Happian-Smith (2012) as seções de canais fechados são mais usadas em carros de passageiros pois apresentam maior rigidez, porém as de canais abertos tem como vantagem principal fornecer acesso fácil de conexão de suportes e componentes, facilitando o reforço de locais submetidos a tensões. Esse tipo de chassi como explanado anteriormente apresenta uma boa resistência e rigidez a flexão. Em contrapartida apresenta baixa rigidez torcional, devido a sua configuração praticamente plana, contribuindo para que os carros apresentem barulhos estruturais provocados pela existência de vibrações, provindas da flexão do chassi. Conforme expresso por Adams (1993). Carros conversíveis desenvolvidos com essa configuração de chassi também são pobres em rigidez torcional pois não apresentam estrutura do teto que ajude na rigidez do sistema como um todo. Outras vantagens encontradas são: a facilidade de cálculo da estrutura bem como a previsão do seu comportamento com relação à fadiga e facilidade de montagem durante a produção (CASTRO M. ,2008). Já como desvantagens além da baixa rigidez torcional tem-se o peso e custos mais elevados em relação às demais e maior altura em relação ao solo. O aumento de vigas transversais não melhora significativamente a rigidez a torção em chassis do tipo escada, contudo projetistas observaram que o incremento de vigas em formato de “X” entre as longarinas tiveram resultados positivos, que representa o tipo de estrutura chamada cruciforme.

2.2.2 Cruciforme

O chassi cruciforme como dito anteriormente provém da combinação do chassi do tipo escada com uma estrutura em formato de “X” entre as longarinas. Segundo Happian-Smith (2012), a estrutura adicionada é formada por duas vigas retas que apresentará somente forças que provocarão flexão. Como se pode observar na Fig. (12), a maior solicitação será dada na junção das duas vigas o que implica que a junta é a região crítica de projeto.

Figura 12 – Membro cruciforme sujeito á flexão

Fonte: Retirada e adaptada de Happian-Smith, 2012

Vale ressaltar que vigas localizadas na parte frontal e traseira não apenas ajuda no transporte do momento torsor, mas também no transporte de cargas laterais da montagem nos pontos de suspensão. Segue abaixo na Fig. (13) um exemplo de um chassi do tipo cruciforme.

Figura 13 – Chassi do tipo escada com estrutura cruciforme

Segundo Castro Bruno (2009), atualmente são utilizadas seções retangulares tanto para as para as longarinas laterais quanto para os reforços transversais em “X” (assim como nas estruturas do tipo escada), o que lhes confere ainda maior resistência. Esse tipo de perfil passou a ser utilizado devido a vários fatores. Um desses fatores acrescenta Oliveira (2007, p.21) que “sob carregamento de flexão pura um tubo retangular de 100mm x 75mm é cerca de 37% mais rígido que um tubo redondo de mesma espessura de parede de 100mm de diâmetro”.

2.2.3 Backbone

Projetistas notaram que uma seção fechada sendo utilizada como viga nos chassis aumentava de forma considerável a rigidez a torção quando comparada com uma seção aberta. Tal fator segundo Happian-Smith (2012) foi explorado pela Lotus promovendo uma nova forma de concepção de chassi. Esse tipo de estrutura foi desenvolvido por Colin Chapman em 1962 ao projetar o Lotus Elan. Há uma seção no formato de uma caixa fechada através da qual passa o eixo central de transmissão do veículo, desde a caixa de marchas até o eixo de transmissão traseiro. As vigas se estendem até os pontos de fixação enquanto membros transversais travam as partes da suspensão e resiste às cargas laterais. A Fig. (14) evidencia como a estrutura se conecta com o motor, suspensões e transmissão.

Figura 14 – Chassi backbone da Lotus Elan

O nome backbone (espinha dorsal) leva ao entendimento que o túnel central é a parte responsável por dar a sustentação estrutural assim como a coluna vertebral provém ao esqueleto. Nessa configuração a espinha dorsal está sujeita a “a cargas de flexão e torção, as vigas estendidas para flexão e os membros transversais para compressão ou tensão das cargas laterais da suspensão” (HAPPIAN-SMITH, 2012, p.140). Adams (1993), fez experimentos em escala reduzida e chegou à conclusão de que o chassi com túnel central deflete 6 vezes menos que uma estrutura do tipo escada, ou seja, há uma melhora de 6 vezes na rigidez torcional.

As vantagens ligadas ao uso estão no fato de ser robusto em veículos esportivos menores e a fabricação pode ser feita manualmente, e o processo se torna viável para baixo volume de produção. Já as desvantagens segundo Oliveira (2007) estão no fato de ser uma estrutura inviável para veículos longos visto que o túnel central ocuparia muito espaço por conta das dimensões, além do fato de não ter segurança à impactos laterais sendo necessária um tipo resistente de carenagem para este fim. Outra desvantagem está na difícil manutenção dos componentes como motor e caixa de marcha por conta dos painéis que compõem o chassi. A Fig. (15). mostra um modelo de backbone de alumínio montada com a suspensão, é possível notar como as cargas da suspensão frontal segue se distribuem pelo túnel estrutural até a suspensão traseira, tais transferências de carregamento dá rigidez torcional à estrutura.

Figura 15 – Estrutura backbone de alumínio com suspensão montada

2.2.4 Monocoque

O chassi do tipo monocoque é uma estrutura de peça única que por si só dá a forma geral do veículo. É fabricado por meio da união de peças menores prensadas por estampagem com o assoalho, que abrange a maior parte da área estrutural, como pode ser observado na Fig. (16).

Figura 16 – Estrutura monocoque Lotus 72C

Fonte: Primotipo Web Site, 2017

Oliveira (2007, p.19) afirma que “esse tipo de estrutura é bastante eficiente na proteção contra impactos, sendo usados em competições de alto nível como Fórmula 1 e Fórmula Indy”. O resultado é uma estrutura incrivelmente rígida que garante segurança ao piloto em situações extremas. Segundo Chandra (2012), uma das vantagens de sua utilização está ligado ao fato de ter produção econômica, pois é adequado para produção robotizada em grande escala.

Uma revolução importante nesse tipo de estrutura foi a utilização da fibra de carbono para a produção de chassis em veículos de competição no início dos anos 80. Compósitos já vinham sendo usados no automobilismo desde a década de 1950 em forma de painéis de carroceria moldados em fibra de vidro, porém tinha desvantagens como: baixa qualidade visual e incapacidade de atuar como membros estruturais solicitados. Segundo Oliveira (2007) tais desvantagens foram totalmente supridas pelo uso da fibra de carbono. Dessa forma o composto fibra de carbono tem como principal característica estrutural a elevada razão rigidez/peso, conferindo assim

não só um suporte para os componentes, mas também usado como uma célula de reforço bastante rígida na estrutura.

2.2.5 Monobloco

Esse tipo de estrutura é caracterizado pelo fato de que o chassi e carroceria formam uma única unidade básica, dando a forma geral do carro por meio da soldagem de chapas e peças. Até então os tipos apresentados anteriormente dependiam de uma carenagem lateral além do chassi para dar prover segurança aos passageiros. De acordo com Happian-Smith (2012), atualmente os carros de passeio são quase que exclusivamente produzidos com esse tipo de estrutura. Formado por chapas de aço unidas por soldagem a ponto ou até mesmo a laser, tais estruturas apresentam como vantagem um conjunto estrutural mais leve e mais silencioso durante o uso quando comparado com o quadro de chassi tradicional (CASTRO B, 2009). Como pode ser visto abaixo na Fig. (17), a rigidez e resistência estrutural necessária advém de diversos elementos como: colunas, longarinas e travessas.

Figura 17 – Detalhamento da estrutura do tipo monobloco

Fonte: Cerqueira, 2014

Segundo Happian-Smith (2012) a profundidade presente na estrutura (característica que não é presente no chassi convencional, visto que é considerada uma estrutura bidimensional) melhora a rigidez da estrutura por completo, tanto contribuindo na rigidez a flexão quanto para a de torção. Ainda segundo Happian- Smith (2012), a estrutura é geometricamente complicada e a distribuição de tensão é

complexa, sendo necessário o uso do MEF. Os detalhes de como a distribuição de tensão ocorre na estrutura é dificultada pois ela não é função somente das cargas impostas, mas também da rigidez individual de cada componente. A estrutura pode ser descrita como “redundante”, sendo possível a remoção de algumas partes e a estrutura ainda resistirá às cargas impostas, porém terá menos eficiência e maior flexibilidade. As desvantagens apontam Castro B. (2009), é que o risco de batida mais severa provoca uma distorção na carroceria muitas vezes sem a possível recuperação das peças danificadas.

Ainda segundo Castro Bruno (2009), a estrutura monobloco pode ser dividida além da totalmente monobloco já explanada em: Semi monobloco e estruturas independentes. Ainda segundo o autor o tipo Semi monobloco foi introduzido pela Rover pelo seu modelo 2000 sendo adotada por fabricantes desde então. É constituída por uma estrutura básica como piso, anteparos, suportes para o motor, suspensão, estruturas laterais e a estes são fixados os demais componentes, como mostra a Fig. (18). Como os elementos não contribui diretamente para a resistência estrutural, o peso proveniente do tipo Semi Monobloco é maior que um totalmente monobloco, porém tem como vantagem a facilidade na reposição de peças bem como na alteração de projeto.

Figura 18 – Estrutura veicular do tipo Semi monobloco

“Já o tipo chamado de estruturas independentes surgiu na década de 1960 com a tendência dos fabricantes ao utilizar subestruturas para suporte de um ou mais dos principais conjuntos mecânicos como motor, diferencial e a suspensão” (CASTRO B., 2009, p.6). Essas subestruturas são fixas a uma carroceria monobloco simplificada que embora seja mais pesado que o do tipo totalmente monobloco apresenta nítidas vantagens como: a transmissão de ruídos e vibrações é reduzida, facilidade de acesso às peças mecânicas, redução de tempo em trabalhos de manutenção, menor custos com reparos, além da facilidade de introduzir modificações na linha de produção quando comparado com os outros tipos.

2.2.6 Spaceframe

Assim como a estrutura monobloco explanada anteriormente, a estrutura veicular do tipo spaceframe também apresenta uma configuração tridimensional bastante complexa. Tal fator, conforme aponta Oliveira (2007), supri a carência de robustez presentes nas estruturas planas do tipo escada e contribui para o ganho de rigidez a flexão e a torção. Ainda segundo o autor, o tipo spaceframe é composto por membros tubulares circulares de pequeno diâmetro e/ou quadrados posicionados em diferentes posições.

Os chassis formados por seção quadrada têm a vantagem de serem mais fáceis de serem soldados em comparação aos tubulares, porém as estruturas tridimensionais formadas por elementos circulares configuram maior rigidez. Segue abaixo a Fig. (19) que mostra um veículo baja com estrutura spaceframe.

Figura 19 – Veículo da Equipe Car-kará Baja com estrutura spaceframe

Happian-Smith (2012) releva a importância dos membros diagonais na rigidez estrutural. Como pode ser visto na Fig. (20), a rigidez de uma moldura retangular aberta depende da flexão dos elementos constituintes, já na configuração treliçada a rigidez é dada pelo elemento diagonal. Vale salientar que nem sempre se consegue produzir um veículo somente com estruturas triangulares, pois na prática a estrutura do para-brisas, acesso ao compartimento do motor, portas, entre outros apresentarão configuração retangular, o que pode significar menor rigidez ao cisalhamento (HAPPIAN-SMITH, 2012).

Figura 20 – Configuração retangular e diagonal em estruturas spaceframe

Fonte: Happian-Smith, 2012

Segundo Oliveira (2007) o primeiro projeto desse tipo de estrutura foi desenvolvido por um aviador inglês durante a Segunda Guerra Mundial, que proporcionou aos aviões da época suportarem grandes quantidades de danos em certas áreas, mantendo a resistência durante o voo. Após esse período a aplicação se voltou à carros de competição e veículos esportivos principalmente através dos fabricantes de veículo como Lotus e a Maserati. A estrutura também é conhecida como ‘gaiola de pássaro’ devido ao número de tubos circulares presentes.

O processo de fabricação desse tipo de estrutura é bastante complexo. Em virtude disso quando se deseja uma fabricação em grande escala, esse tipo de estrutura se torna bastante inviável. O processo é em sua grande parte manual e precisa de grande habilidade dos fabricantes principalmente no processo de soldagem e de gabaritagem da geometria, pois pode conduzir respectivamente a grandes empenamentos nos membros adjacentes e provocar erros de geometria que condenem a estrutura veicular como um todo. Em pequenas escalas as estruturas do

tipo gaiola oferecem grande flexibilidade em relação ao uso de materiais, podendo variar entre aços, alumínio e materiais compósitos. Assim, o peso da estrutura e sua rigidez são fatores determinantes para o projeto de veículos de competição visto que quanto mais leve for o chassi melhor se aproveitará da potência do motor. Segue abaixo a Fig. (21) que apresenta um compartimento do motor de um carro esportivo Maserati Tipo 61, mostrando claramente a complexa rede de tubos de aço conhecido como gaiola.

Figura 21 – Compartimento do motor do Maserati 61

Fonte: Chapman, 2007 (retirada de Weekimedia Commons Web Site)