UNIVERSIDADE SÃO JUDAS TADEU (Curso de graduação em Engenharia Mecânica)
Dimensionamento de uma suspensão duplo A para um veículo recreativo
Orientados: Celso Ricardo Almeida Cortez Cícero Bernardo Martins Guimarães Carvalho Felipe Augusto Lero Emílio
Felipe Fernandes Homem Leonardo Dias Poscolere
São Paulo 2022
Orientador: Prof. Gustavo Caravita de Andrade
Dimensionamento de uma suspensão tipo duplo A para um veículo recreativo
Orientados: Celso Ricardo Almeida Cortez Cícero Bernardo Martins Guimarães Carvalho Felipe Augusto Lero Emílio
Felipe Fernandes Homem Leonardo Dias Poscolere
São Paulo 2022
Trabalho de conclusão de curso apresentado como requisito para obtenção do grau de bacharelado em Engenharia Mecânica pela USJT
Orientador: Prof. Gustavo Caravita de Andrade
São Paulo 2022
Folha de Aprovação
Dimensionamento de uma suspensão tipo duplo A para um veículo recreativo
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para obtenção do título de engenheiro e aprovado em sua forma final pelo Curso Engenharia mecânica
São Paulo, 16 de novembro de 2022.
___________________________
Coordenação do Curso Banca examinadora
____________________________
Prof. Gustavo Caravita de Andrade Orientador
____________________________
Prof.(a) [nome do(a) professor(a)], Dr.(a) Instituição [nome da instituição]
____________________________
Prof.(a) [nome do(a) professor(a)], Dr.(a) Instituição [nome da instituição]
Dedicatória
“Somente através da ajuda da Inteligência Infinita de Deus que este trabalho foi concluído de
forma satisfatória. Agradeço e dedico esta monografia a Ele."
AGRADECIMENTOS
• Em primeiro lugar, а Deus, que fez com que nossos meus objetivos fossem alcançados, durante todos os anos de estudos.
• A Deus, por nos permitido que tivéssemos saúde е determinação para não desanimar durante a realização deste trabalho.
• A Deus, pelas nossas vidas, e por nos permitir ultrapassar todos os obstáculos encontrados ao longo da realização deste trabalho.
RESUMO
Com os avanços na tecnologia e na busca de trazer mais conforto para os passageiros, foi desenvolvido o sistema de suspensão veicular, que passou por muitas mudanças e avanços tecnológicos durante as décadas. Mesmo que a maioria de seus componentes não esteja visível ao olhar a parte externa do veículo, o sistema de suspensão é um dos sistemas mais importantes do veículo, esse sistema é responsável por fazer a ligação entre a carroceria com o solo (consideramos que as rodas e os pneus fazem parte do sistema de suspensão). Podemos considerar que a suspensão veicular tem três principais funções: garantir o conforto do passageiro absorvendo o máximo de vibrações e irregularidades causadas pela via, garantir a mobilidade garantindo uma estabilidade, tanto longitudinal quanto lateral, mantendo o chassi estável, e por último garantir o controle sobre o veículo, mantendo todas as 4 rodas do veículo em constante contato com o solo, além de manter o veículo estável durante a ação de algumas forças, sendo por exemplo as forças na aceleração e na frenagem. O objetivo central do trabalho é abordar, analisar e dimensionar um sistema de suspensão para um veículo recreativo. Os conceitos utilizados abordam temas como conforto veicular, melhorias na dirigibilidade, ângulo de caster, posicionamento do centro de rolagem, etc. Coletamos todos os dados importantes através de estudos em artigos científicos, o que nos possibilitou ter uma visão mais ampla no dimensionamento da suspensão, descobrimos a melhor estratégia para a construção do nosso protótipo, após o estudo o grupo decidiu utilizar a suspensão duplo A no veículo recreativo, por possuir um sistema leve e de baixa altura, partimos então para o dimensionamento 3D e após uma análise computacional por métodos de elementos finitos chegamos a um resultado satisfatório, o que nos possibilitou partir para a construção do protótipo, ao final concluímos que foi de extrema importância o estudo inicial que realizamos antes de todo o dimensionamento da suspensão, finalizamos o protótipo chegando a resultados satisfatórios como melhoria na dirigibilidade e diminuição na vibração na parte interna do nosso veículo.
Palavras-chave: Suspensão; Duplo A; Dimensionamento 3D; Análise computacional;
Protótipo.
ABSTRACT
With the advances in technology and the search to bring more comfort to the passengers, the vehicle suspension system was developed, which has gone through many changes and technological advances over the decades. Even though most of its components are not visible when looking at the outside of the vehicle, the suspension system is one of the most important systems in the vehicle, this system is responsible for making the connection between the body and the ground (we consider that the wheels and the tires are part of the suspension system).
We can consider that the vehicle suspension has three main functions: to ensure the passenger's comfort by absorbing the maximum of vibrations and irregularities caused by the road, to ensure mobility by ensuring stability, both longitudinal and lateral, keeping the chassis stable, and finally to ensure the control over the vehicle, keeping all four wheels of the vehicle in constant contact with the ground, besides keeping the vehicle stable during the action of some forces, such as the forces during acceleration and braking. The main objective of this work is to approach, analyze and design a suspension system for a recreational vehicle. The concepts used cover topics such as vehicle comfort, ride improvement, caster angle, roll center positioning, etc. We collected all the important data through studies in scientific articles, which allowed us to have a broader view on the suspension dimensioning, we found the best strategy to build our prototype, after the study the group decided to use the double A suspension in the recreational vehicle, because it has a light system and low height, We then started for the 3D design and after a computational analysis by finite element methods we reached a satisfactory result, which allowed us to start building the prototype, in the end we concluded that it was extremely important the initial study that we performed before the whole suspension design, we finished the prototype reaching satisfactory results such as improvement in drivability and decrease in vibration in the internal part of our vehicle.
Keywords: Suspension; Double A; 3D Design; Computational Analysis; Prototype.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Graus de Liberdade de uma Suspensão de Eixo Rígido (Milliken e Milliken,
1995). ... 24
Figura 2: Graus de Liberdade de uma Suspensão de Eixo Rígido (Milliken e Milliken, 1995). ... 25
Figura 3: Vista Traseira de um Eixo McPherson Dianteiro Esquerdo (Reimpell et al., 2001). ... 26
Figura 4: Suspensão McPherson Traseira – I (Reimpell et al., 2001). ... 28
Figura 5: Suspensão Duplo “A” Dianteira de um veículo comercial Volkswagen (Reimpell et al., 2001). ... 29
Figura 6: Dois exemplos de aplicação de suspensão duplo “A” (the automotive chassis- volume 1). ... 30
Figura 7: Centro de inclinação (Reimpell et al., 2001). ... 32
Figura 8: Suspensão Duplo “A” Traseira (Reimpell et al., 2001). ... 33
Figura 9: Mola do tipo multifolhas (TM 9-8000, 1985). ... 34
Figura 10: Suspensão com mola helicoidal (TM 9-8000, 1985). ... 35
Figura 11: Dimensões da mola helicoidais. (REIMPELL et al, 2001) ... 35
Figura 12: Diagrama de corpo livre de uma mola. (REIMPELL et al, 2001). ... 36
Figura 13: Tratamento da parte final da bobina (KRUTZ, 1994). ... 37
Figura 14: Amortecedor Estrutural McPherson I (Reimpell et al., 2001). ... 38
Figura 15: Amortecedor Estrutural McPherson II (Reimpell et al., 2001). ... 38
Figura 16: Efeito do amortecimento na conduta de isolamento da suspensão (Gillespie, 1992). ... 39
Figura 17: Fluxograma de interação entre condutor e veículo. ... 40
Figura 18: Fluxograma de interação entre carga e veículo. ... 41
Figura 19: Fluxograma de interação entre ambiente e veículo. ... 41
Figura 20: Fluxograma de interação entre veículo e condutor. ... 41
Figura 21: Fluxograma de interação entre ambiente e condutor. ... 41
Figura 22: Sistema Dinâmico do veículo (Gillespie, 1992). ... 43
Figura 23: Modelo dinâmico de bounce (Dixon, 2009)... 46
Figura 24: Rolagem do Corpo do Veículo, vista traseira (Dixon, 2009). ... 49
Figura 25: Rolagem do Corpo do Veículo em Pista Inclinada, vista traseira (Dixon, 2009). ... 50
Figura 26: Distanciamento entre eixos (Wikimedia). ... 52
Figura 27: Exemplos de ângulos Cáster. (Dixon, 2009) ... 52
Figura 28: Câmber de uma suspensão. Vista de frente (Nicolazzi, 2012). ... 54
Figura 29: Influência do câmber no desgaste do pneu (Reimpell et al., 2001). ... 56
Figura 30: Convergência e Divergência (Mechanical Funda, da 2018) ... 57
Figura 31: Inclinação e Offset do Pino Mestre (Reimpell et al., 2001) ... 59
Figura 32: Inclinação e Offset do Pino Mestre para Suspensões McPherson (Reimpell et al., 2001) ... 60
Figura 33: Câmber regulável detalhado (Reimpell et, al., 2001) ... 61
Figura 34: Dimensões do Chassi, vista superior. Fonte: Autor (2022) ... 62
Figura 35: Dimensões do Chassi, vista lateral. Fonte: Autor (2022) ... 63
Figura 36: Espaçamento entre as bandejas. Fonte: Autor (2022). ... 64
Figura 37: Roda e pneu em vista isométrica. Fonte: Autor (2022) ... 64
Figura 38: Altura em relação ao solo. Fonte: Autor (2022) ... 65
Figura 39: Bitola do eixo traseiro e do eixo dianteiro. Fonte: Autor (2022) ... 65
Figura 40: Inclinação de pino mestre. Fonte: Autor (2022). ... 66
Figura 41: Pontos de ancoragem das bandejas no chassi. Fonte: Autor (2022). ... 67
Figura 42: Geometria da suspenção. Fonte: Autor (2022). ... 68
Figura 43: Posição dos amortecedores. Fonte: Autor (2022). ... 69
Figura 44: Ângulo caster. Fonte: Autor (2022). ... 69
Figura 45: Sistema de Direção vista frontal. Fonte: Autor (2022). ... 71
Figura 46: Sistema de Direção vista superior. Fonte: Autor (2022). ... 71
Figura 47: Efeito “Jacking”. Fonte: (Dimensionamento e calibração de suspensão tipo duplo A para veículos minibaja 2006). ... 72
Figura 48: Modelo para cálculo do centro de rolagem: Autor (2022). ... 73
Figura 49: Modelo para cálculo do centro de rolagem: Autor (2022). ... 73
Figura 50: Centro de rolagem: Autor (2022). ... 76
Figura 51: Dimensões da base do chassi: Autor (2022). ... 78
Figura 52: Ponta de eixo traseira: Autor (2022). ... 79
Figura 53: Medidas do reforço do chassi: Autor (2022). ... 79
Figura 54: Chassi com o reforço soldado: Autor (2022). ... 80
Figura 55: Dimensões da parte dianteira do chassi: Autor (2022). ... 81
Figura 56: Chassi com a parte dianteira soldada: Autor (2022). ... 81
Figura 57: Dimensões da bandeja inferior: Autor (2022). ... 82
Figura 58: Dimensões da bandeja superior: Autor (2022). ... 82
Figura 59: Bandejas superiores e inferiores soldadas: Autor (2022). ... 83
Figura 60: Chapinhas para fixação das bandejas: Autor (2022). ... 83
Figura 61: Manga de eixo: Autor (2022). ... 84
Figura 62: Manga de eixo fixada nas bandejas: Autor (2022). ... 84
Figura 63: Ponta de eixo: Autor (2022). ... 85
Figura 64: Ponta de eixo fixada nas bandejas: Autor (2022). ... 85
Figura 65: Amortecedor no chassi: Autor (2022). ... 86
Figura 66: Protótipo finalizado: Autor (2022). ... 86
Figura 67: Banco de madeira de compensado: Autor (2022). ... 87
Figura 68: Assoalho: Autor (2022). ... 88
Figura 69: Ponta de eixo com porca soldada: Autor (2022). ... 88
Figura 70: Protótipo: Autor (2022). ... 89
Figura 71: Variação de Convergência (Autor 2022). ... 90
Figura 72: Variação de Divergência (Autor 2022). ... 91
Figura 73: Variação de Cambagem (Autor 2022). ... 91
Figura 74: Variação de Bitola (Autor 2022). ... 91
Figura 75: Protótipo: Autor (2022) ... 92
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Tabela com as coordenadas dos pontos em Y e Z. ... 75 Tabela 2: Lista de materiais. ... 77
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AM Amortecedor
BSI British Standards Institute D Amortecedor Dianteiro
DIN Deutsches Institut für Normung
ISO International Organization for Standardization LE Lado Esquerdo
LD Lado Direito
RPM Rotação Por Minuto
SAE Society of Automotive Engineers SUV Sport Utility Vehicle
T Amortecedor Traseiro
LISTA DE SÍMBOLOS
Caracteres Latinos:
a Distância do eixo dianteiro ao centro de massa aCG Aceleração do CG do veículo
b Distância do eixo traseiro ao centro de massa Bo Centro de gravidade
C Coeficiente de amortecimento
CC Coeficiente de amortecimento vertical do assento cf Rigidez de mola dianteira
CG Centro de gravidade
CM Coeficiente de amortecimento modal de pitch CR Coeficiente de amortecimento de rolagem CS Coeficiente de amortecimento da suspensão CT Coeficiente de amortecimento vertical do pneu
CW Coeficiente de amortecimento vertical da suspensão à roda f Frequência de trabalho do amortecedor
F Força na suspensão FD Força de amortecimento
FY,E Força de reação no eixo Y no ponto E FY,G Força de reação no eixo Y no ponto G
FY,W,f Força lateral em curva no eixo Y da roda dianteira
FY,W,f,i Força lateral em curva no eixo Y da roda dianteira interna FY,W,f,o Força lateral em curva no eixo Y da roda dianteira externa G Aceleração da gravidade
H Altura do centro de massa
HS Altura do centro da massa suspensa IP Inércia de pitch
IR Inércia de rolagem
K Gradiente de subesterçamento e rigidez de mola KD Coeficiente de amortecimento
KS Rigidez da suspensão
KSP Rigidez de pitch da suspensão M Massa
MB Massa suspensa mS Massa suspensa um Massa da roda
L Distância entre centros das rodas
MTXS Momento de transferência longitudinal da massa suspensa em declive MTXT Momento de transferência longitudinal total de carga
V Velocidade do veículo
z Deslocamento do centro de massa zS Deflexão da suspensão
zT Deflexão do pneu zW Deslocamento da roda ZW Altura ao centro da roda
Caracteres Gregos:
α ângulo de deriva e fator de amortecimento αR Fator de amortecimento de rolagem δi Ângulos de esterçamento da roda interna δo Ângulos de esterçamento da roda externa
W,i Câmber roda interna
W,o Câmber roda externa θ Ângulo de pitch
θB Ângulo de pitch do corpo do veículo θS Ângulo de pitch da suspensão
θU Ângulo de pitch da massa não-suspensa ζ Razão de amortecimento
ζR Razão de amortecimento de rolagem σ Inclinação do pino mestre
τ Ângulo de cáster
φ Ângulo de inclinação da carroceria em curva ΦA Ângulo de rolagem dos eixos
ΦB Ângulo de rolagem do corpo do veículo ΦBT Ângulo de torção do corpo do veículo ΦR Ângulo de inclinação da estrada ΦRT Ângulo de torção da estrada ΦS Ângulo de rolagem da suspensão
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SUMÁRIO
OBJETIVOS ... 21
JUSTIFICATIVA ... 21
SISTEMA DE SUSPENSÃO ... 22
2.1.1 EIXOS RÍGIDOS ... 23
2.1.2 SUSPENSÃO INDEPENDENTE ... 24
2.1.2.1 SUSPENSÃO MACPHERSON ... 26
2.1.2.2 SUSPENSÃO DUPLO “A” ... 28
COMPONENTES DA SUSPENSÃO ... 34
2.2.1 MOLA ... 34
2.2.2 AMORTECEDOR ... 37
DINAMICA VEICULAR... 40
CONFORTO VEICULAR E DIRIGIBILIDADE ... 42
2.4.1 MOVIMENTO VERTICAL ... 44
2.4.2 INCLINAÇÃO ... 46
2.4.3 ROLAGEM ... 48
PARAMETROS DA SUSPENSÃO (CINEMÁTICA E ELASTOCINEMÁTICA)50 2.5.1 DISTÂNCIA ENTRE EIXOS (WHEELBASE) ... 51
2.5.2 ÂNGULO DE CÁSTER ... 52
19
2.5.2.1 Cáster negativo ... 53
2.5.2.2 Cáster positivo ... 53
2.5.2.3 Cáster zero ... 54
2.5.3 CÂMBER (CAMBER ANGLE) ... 54
2.5.4 CONVERGENCIA / DIVERGENCIA (TOE-IN / TOE-OUT) ... 56
2.5.5 PINO MESTRE ... 58
DIMENSIONAMENTO DO CHASSI ... 61
DIMENSIONAMENTO DA GEOMETRIA DA SUSPENÇÃO ... 66
DEFINIÇÃO DOS AMORTECEDORES E PONTOS DE FIXAÇÃO E ÂNGULO DE CASTER ... 68
GEOMETRIA DO SISTEMA DE DIREÇÃO ... 70
EXEMPLIFICAÇAO DE CALCULO DO CENTRO DE ROLAGEM ... 72
VALIDAÇÃO DOS RESULTADOS DO SISTEMAERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO. CONSTRUÇÃO DO PROTOTIPO ... 76
REFERÊNCIAS... 94
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1 INTRODUÇÃO
Desde a invenção do automóvel no início do século XIX, várias melhorias foram implementadas para aumentar o conforto e o desempenho do veículo. Segundo BARRETO, (2005), as estradas dos séculos XVIII e XIX não dispunham de infraestrutura de hoje em dia e, por este motivo, os construtores de carruagens e demais veículos passaram a equipar os seus produtos com sistemas de suspensão, onde inicialmente utilizavam feixes de molas para ambos os eixos do veículo, devido à simplicidade na manufatura e baixo custo
Para CRIVELLARO, (2008), as suspensões de molas helicoidais passaram a ser utilizadas apenas no eixo traseiro do veículo, e as molas helicoidais passaram a ser aplicadas no eixo dianteiro. O sistema de suspensão veicular atualmente conhecido consiste basicamente em um conjunto de molas e amortecedores que vem sendo pesquisado e desenvolvido desde o início da fabricação de automóveis com o objetivo de tornar o veículo mais confortável e seguro para os passageiros.
Já (MILLIKEN, 1995), apontou que a evolução no estudo da dinâmica veicular possibilitou o surgimento de novas tecnologias e geometrias mais eficientes capazes de desempenhar as funções do sistema de uma maneira mais eficiente para o condutor do veiculo.
Um exemplo que podemos citar de suspensão independente é a suspensão Wishbone ou Duplo A, os braços sobrepostos dessa suspensão podem ter a forma da letra "A", daí o nome duplo
"A". Os braços também podem ter o formato de um forcado, semelhante ao osso presente no peito das aves, chamado de wishbone na cultura britânica. Entre as muitas configurações deste sistema está aquela em que o braço superior é menor que o inferior. Duas características relacionadas do sistema são o ajuste de cambagem definido na frente do sistema e a versatilidade para fornecer geometria anti-pitch definida no plano transversal.
O presente trabalho busca dimensionar uma suspensão duplo A para um veículo recreativo, em meio a diferentes componentes que compõe um veículo, com isso estuda-se projetar uma suspensão com base em artigos científicos, ao final do estudo se busca uma conclusão concreta baseada em resultados que comprovem a melhoria no protótipo construído.
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1.1 OBJETIVOS
Este trabalho possui como objetivo realizar o projeto completo do sistema de suspensão duplo A integrado a um veículo recreativo e analisar o comportamento dinâmico com auxílio do software Autodesk Inventor, onde a parte dimensional será realizada através do software, analisando assim os deslocamentos de movimento vertical e rotacional da suspensão.
A ideia de conforto na engenharia automotiva é um assunto muito amplo para o desenvolvimento de modelos dinâmicos para analisar resultados. A análise dinâmica é um importante estudo das forças e movimentos produzidos por eles. O sistema de suspensão do veículo é aquele que ganha o papel de isolar da excitação do ambiente externo, isolando as vibrações da pista e outras fontes, garantindo que o veículo mantenha o contato pneu/pista.
1.2 JUSTIFICATIVA
Levando em consideração a vasta aplicação da suspensão nos veículos automotivos, decidimos nesse trabalho dimensionar uma suspensão capaz de trazer melhorias ao nosso veículo, visto que um veículo sem suspensão tem mais dificuldades para realizar curvas e não oferece conforto nenhum para o condutor do veículo, podemos mencionar de cara o kart onde o mesmo não possui suspensão e muitas vezes o condutor acaba perdendo o controle nas curvas, tendo que na maioria das vezes diminuir sua velocidade drasticamente para conseguir realiza- la, pensando nisso o projeto foi elaborado e toda uma estrutura de estudo foi formada capaz de trazer dados importantes para a construção do protótipo.
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2 REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 SISTEMA DE SUSPENSÃO
Existem diversos sistemas que compõem os veículos modernos, mas em questão de importância, o sistema de suspensão é um dos sistemas mais importante. Existem diversos requisitos que as suspensões dos veículos modernos devem satisfazer, que na prática, pode-se dizer que são conflitantes entre si, isso devido às diversões condições em que o veículo opera como: se o veículo está carregado ou descarregado, se está acelerando ou freando, a condição da estrada, se o percurso é sinuoso ou retilíneo. (REIMPELL et al, 2001)
Sendo de extrema importância garantir as características ideais de funcionamento da suspensão, mesmo com o veículo parado, a suspensão está sempre em constante trabalho, sendo responsável por manter o veículo na distância ideal em relação ao solo e quando o veículo está em movimento, absorve todos os choques e vibrações gerados pelas irregularidades do solo, que são primeiramente são absorvidos pelos pneus e a suspensão não permite que seja transmitido para a corroeria do carro, garantindo o conforto dos ocupantes do veículo durante o trajeto.
As forças e momentos que atuam na área de contato da roda devem ser direcionados para o corpo. O deslocamento do pino mestre e o braço da alavanca de força perturbadora no caso das forças longitudinais, o deslocamento dos rodízios no caso das forças laterais, e o braço de momento de carga radial no caso das forças verticais são importantes elementos cujos efeitos interagem como resultado, por exemplo, do ângulo da direção eixo.
Na indústria automotiva, alguns critérios são muito importantes como: custo, espaço, propriedades cinemáticas e atributos de conformidade (HILL, 2009).
Sendo de extrema importância garantir as características ideais de funcionamento da suspensão, sendo o veículo estando em movimento ou estacionado, para isso as rodas deverão se manter em uma posição em relação à superfície da estrada com a finalidade de gerar as forças laterais. (REIMPELL et al, 2001)
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A classificação dos tipos de suspensão pode ser feita por posição (dianteira ou traseira) ou tipo (eixo rígido ou independente). As suspensões dianteiras de eixo rígido praticamente desapareceram dos carros de passeio.
2.1.1 EIXOS RÍGIDOS
Uma suspensão de eixo rígido é aquela em que as rodas são montadas em cada extremidade de uma viga rígida, de modo que qualquer movimento de uma roda seja transmitido para a roda oposta, fazendo com que elas girem e se curvem juntas, essa característica resulta é considerada uma desvantagem deste tipo de montagem. Eixos de acionamento rígido são usados na traseira de muitos carros e caminhões e na frente de muitos caminhões com tração nas quatro rodas. Eixos de viga sólida são comumente usados na frente de caminhões pesados onde é necessária alta capacidade de carga
Eixos sólidos têm a vantagem de que a curvatura da roda não é afetada pela rolagem da carroceria. Assim, há pouca curvatura das rodas nas curvas, exceto aquela que surge da compressão ligeiramente maior dos pneus do lado de fora da curva. Além disso, o alinhamento das rodas é prontamente mantido, minimizando o desgaste dos pneus, a principal desvantagem dos eixos sólidos direcionáveis é sua suscetibilidade a vibrações de direção oscilantes.
As suspensões de eixo rígido possuem dois caminhos de movimentação em relação ao corpo do veículo: paralelamente e rolagem, conforme ilustra a Figura 1(MILLIKEN e MILLIKEN, 1995).
24 Figura 1: Graus de Liberdade de uma Suspensão de Eixo Rígido (Milliken e Milliken, 1995).
2.1.2 SUSPENSÃO INDEPENDENTE
Diferentemente dos eixos rígidos, as suspensões independentes permitem que cada roda se mova verticalmente sem afetar a roda oposta. Permitir esse movimento independente entre as rodas é uma das grandes vantagens desse tipo de suspensão, além das vantagens de proporcionar espaço para o motor e à melhor resistência às vibrações da direção. A suspensão independente também tem a vantagem de fornecer uma rigidez de rolagem inerentemente mais alta em relação à taxa de mola vertical. Com isso nos dias de hoje quase todos os carros de passeio e caminhões leves usam suspensões dianteiras independentes.
As primeiras suspensões independentes apareceram nos eixos dianteiros no início do século passado. Maurice Olley merece muito do crédito por promover suas virtudes, reconhecendo que isso reduziria alguns dos problemas de oscilação e oscilação característicos dos eixos rígidos. Outras vantagens incluíam o fácil controle do centro de rolagem pela escolha da geometria dos braços de controle, a capacidade de controlar a mudança do piso com saltos e ressaltos, maiores deflexões da suspensão e maior rigidez de rolagem para uma determinada taxa vertical de suspensão. (REIMPELL et al, 2001).
25
Suspensões independentes são usadas quase universalmente na frente devido à necessidade de direção. As exceções são veículos com tração nas quatro rodas; mesmo assim, muitos usam suspensões independentes na frente.
Duas vantagens de extrema importância dessa suspensão que contribui para a manutenção do contato entre pneu e solo, especialmente em curvas com solo irregular é o baixo peso e nenhuma influência de uma roda à outra.
Na Figura 2 podemos entender como o comportamento cinemático que se é desejado quando a suspensão está trabalhando, durante o movimento de sobe das rodas, é garantido pelos braços transversais e braços arrastados e como as forças de carga na roda é transferida para o chassi do veículo.
Na Figura 2 é mostrada uma vista frontal de uma suspensão independente. As forças
“FY,E” e “FY,G”, que são provenientes da força lateral em curva “FY,W,f”, geram forças de reação nas ligações do eixo com o chassi. A distância efetiva “c” entre os pontos “E” e “G” em uma suspensão duplo “A” deve ser tão grande quanto possível para que haja pequenas forças no corpo do veículo e rolamentos de ligação e para limitar a deformação nos elementos de borracha (REIMPELL et al., 2001).
Figura 2: Graus de Liberdade de uma Suspensão de Eixo Rígido (Milliken e Milliken, 1995).
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2.1.2.1 SUSPENSÃO MACPHERSON
Esse modelo de suspensão independente leva esse nome pois foi desenvolvida pelo Earle S. MacPherson, um engenheiro da Ford, nos anos de 1940 (Bastow e Howard, 1993). Ele desenvolveu uma suspensão com geometria baseada às suspensões dianteiras duplo “A”. A roda rigidamente fixada na sua extremidade inferior, de modo que a suspensão mantém a roda na direção da curvatura. A extremidade superior é fixa à carroceria ou chassi, e a extremidade inferior é localizada por ligações que captam as forças laterais e longitudinais, além do momento que aumenta o atrito na suspensão. Procurando evitar prejuízos no câmber dinâmico, deve aumentar o diâmetro da haste no amortecedor, que normalmente é de 11 milímetros, para 18 milímetros, com um diâmetro de pistão que normalmente é de 27, 30 ou 32 milímetros.
A principal vantagem da estrutura McPherson é que todas as partes que compõe a suspensão e o controle das rodas podem ser combinadas em uma única montagem. Como pode ser visto na Figura 3, isto inclui (REIMPELL et al., 2001):
Figura 3: Vista Traseira de um Eixo McPherson Dianteiro Esquerdo (Reimpell et al., 2001).
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• O assento da mola (3) suporta a parte inferior da mola;
• A mola auxiliar (11) ou coxim de compressão;
• O batente de tração ou stop hidráulico (não mostrado);
• A conexão da barra estabilizadora (7) através da haste de ligação (5);
• A fixação inferior (13).
A fixação inferior pode ser soldada, brazada, montada por interferência ou aparafusada firmemente ao tubo reservatório (1). Outras vantagens são:
• Forças mais baixas no corpo de montagem, pontos “E” e “D” devido a uma grande distância efetiva “C”;
• Longo curso da mola;
• Três rolamentos deixam de ser necessários;
• Melhores possibilidades de projeto na zona de deformação à frente do veículo, no compartimento do motor;
• Maior espaço lateral torna mais fácil a aplicação de motores transversais.
A suspensão McPherson é amplamente utilizada para veículos com tração dianteira, pois uma grande vantagem é o espaço que ela oferece para o pacote para motores transversais.
Mesmo que ela seja bastante utilizada para carros com tração dianteira, ela também é adequada para veículos com qualquer construção, devido à separação de seus pontos de conexão na carroceria. Um exemplo disso é a suspensão do Lancia Delta, representado na Figura 4 (REIMPELL et al., 2001).
28 Figura 4: Suspensão McPherson Traseira – I (Reimpell et al., 2001).
A suspensão tem vantagens adicionais de menos peças e capacidade de distribuir as cargas da suspensão para a estrutura da carroceria em uma área mais ampla. Entre suas desvantagens está a alta altura instalada que limita a capacidade do projetista de baixar a altura do capô.
2.1.2.2 SUSPENSÃO DUPLO “A”
A suspensão duplo “A” é composta por duas ligações transversais, conhecidas como braços de controle, e estão localizadas em ambos os lados do veículo. Essas ligações são montadas para realizar o giro sobre o quadro da suspensão, e nos casos em que ela é montada no eixo da frente, elas são conectadas na parte externa da junta de direção ou na cabeça giratória, através das juntas articuladas esféricas (REIMPELL et al., 2001). Essa opção pode ser usada tanto na dianteira quanto na traseira do veículo.
29 Figura 5: Suspensão Duplo “A” Dianteira de um veículo comercial Volkswagen (Reimpell et al., 2001).
Esse sistema é bem adaptado à veículos que tem motor dianteiro e tração traseira, além de possibilitar um melhor espaço para a montagem do motor na longitudinal (GILLESPIE, 1992). É comum ver esse modelo sendo aplicado em modelos de carros sedans de luxo e em carros esportivos, graças ao seu design, ela melhora os parâmetros de elastocinemática, otimizando o manuseio e o conforto.
Originalmente esses sistemas de suspensão possuem braços de controle, superior e inferior, com dimensões iguais. Por conta dessa geometria, quando ocorre a mudança de câmber, na deflexão da suspensão, os braços fazem movimentos opostos. Quando a suspensão duplo “A” está sob condições de esterçamento e está submetida à deflexão devido à rolagem do chassi, esse tipo de montagem provoca mudanças no câmber. Com os avanços na tecnologia e os estudos para otimizar esse sistema, a suspensão duplo “A” mais moderna utilizam os braços de controle da parte superior mais curtos. Se criteriosamente projetado, esse sistema minimiza a mudança no câmber resultante, e proporciona um melhor comportamento de câmber nas curvas.
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A Figura 6 mostra dois diferentes tipos de suspensão duplo “A”. A primeira imagem à esquerda, é adequada para carros de ração dianteira com motores transversais, já a segunda imagem, pode ser aplicada a motores longitudinais.
Figura 6: Dois exemplos de aplicação de suspensão duplo “A” (the automotive chassis- volume 1).
Se compararmos com as suspensões McPherson, notamos a parte superior braço, que exerce a função de mancal deslizante do amortecedor. O amortecedor não tem funções estruturais porque a força de amortecimento - não estática e forças dinâmicas – é o que o carrega.
De acordo com a posição do braço em relação à roda, as suspensões desse tipo são classificadas como alta (à esquerda) ou baixa (à direita). A diferença entre essas duas soluções é imposta pela transversal volume do motor e a pista que deve ser obtida para o carro; a suspensão de braços duplos altos é a única que pode ser adotada em carros de tração dianteira com motores transversais. É aplicado a outros carros também, porque pode se adequar bem à estrutura de um corpo unificado. Braço duplo baixo suspensões, com excelente desempenho elastocinemática, se intrometem no compartimento do motor e são geralmente aplicados apenas a carros de luxo.
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A Figura 7 mostra uma suspensão duplao “A” alta, nós nos referimos a o que dissemos sobre a suspensão de McPherson para muitos detalhes comuns, como barras de direção, subestrutura, mecanismo de direção, barra estabilizadora e elástico buchas.
Figura 7: Modelo de suspensão duplo “A” alta. (the automotive chassis- volume 1).
O braço superior (1) e o braço inferior (2) são conectados ao corpo por buchas. Os mesmos braços estão ligados ao suporte (3) através de juntas esféricas (4) e (5) que permitem a rotação de direção da estrutura. A linha que liga as duas juntas esféricas é o eixo do pino mestre. O amortecedor e a mola helicoidal são unificados como na suspensão McPherson este conjunto é conectado ao braço inferior através das buchas (7) e tem a forma de uma forquilha, para desobstruir a maior parte do semi-eixo.
A haste do pistão do amortecedor é conectada ao corpo através de um rolamento plástico; neste caso não há rolamento de pivô, pois o movimento de direção envolve apenas o
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suporte da roda. Um descanso inclui buchas do braço superior e o rolamento de amortecimento do amortecedor e é parafusado ao corpo.
Como nesse sistema o centro de inclinação pode estar localizado no centro da roda, como mostrado na Figura 8, isso produz não só uma melhora no mecanismo de anti-megulho, como também reduz o afundamento sobre o eixo nos casos de veículos com tração traseira, em veículos com tração dianteira seria a redução no levantamento do eixo. Esses fatos mostram alguns motivos para que a suspensão duplo “A” vem sendo mais utilizadas em carros de passageiros e localizada no eixo traseiro, independentemente do tipo de tração do veículo.
(REIMPELL et al., 2001).
Figura 8: Centro de inclinação (Reimpell et al., 2001).
Um exemplo no mercado de carros para carros de passageiro que utiliza uma suspensão duplo “A” em seu eixo traseiro é o modelo da Audi A4 Quattro (Figura 9). Este modelo sedan possui tração integral.
33 Figura 9: Suspensão Duplo “A” Traseira (Reimpell et al., 2001).
Podemos listar como vantagens e desvantagens as seguintes características:
Vantagens:
• Design ideal dos parâmetros elastocinemáticos, particularmente no que diz respeito à recuperação de câmber.
• Os amortecedores não têm função estrutural; O conforto pode ser melhorado, devido à redução da histerese.
• Possibilidade de rebaixar o perfil do capô, especialmente para a versão baixa.
Desvantagens
• Os custos de produção são maiores, devido ao aumento do número de peças; um braço e suas buchas são adicionados, em comparação com a suspensão McPherson.
• Peças adicionais para fixação da suspensão superior.
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• O espaço ocupado pelo braço é notável. Demanda de motores transversais a versão alta: O comprimento reduzido do braço desta versão compromete a possibilidade de atingir o máximo desempenho elastocinemático.
• O aumento do número de juntas e rolamentos pode afetar os ângulos das rodas por conta de deformações permanentes na borracha da bucha, com consequências no desgaste dos pneus.
• O alto valor das cargas de frenagem pode ter uma influência negativa na longitudinal flexibilidade.
2.2 COMPONENTES DA SUSPENSÃO
2.2.1 MOLA
A maioria dos primeiros carros usava molas de lâmina porque esse tipo de mola era usado extensivamente em carruagens puxadas por cavalos, e os primeiros designers tinham alguma experiência com elas. A mola de lâmina mostrada na Figura 10 é do tipo multifolhas.
Este tipo de mola é feito de uma única mola elíptica com várias folhas menores presas a ela com grampos. As folhas também são fixadas rigidamente pelo parafuso central, o que evita que as folhas individuais se movam fora do centro durante a deflexão. As folhas adicionais tornam a mola mais rígida, permitindo que ela suporte cargas maiores.
Figura 10: Mola do tipo multifolhas (TM 9-8000, 1985).
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Atualmente, são utilizadas as molas helicoidais. A Figura 11 mostra um exemplo de uma suspensão de mola helicoidal. As molas helicoidais requerem o uso de amortecedores. As molas helicoidais são amplamente utilizadas em aplicações automotivas devido ao seu tamanho compacto. No entanto, as molas helicoidais não são capazes de fornecer qualquer localização do eixo; assim, eles requerem braços de controle para limitar o movimento longitudinal e lateral da suspensão.
Figura 11: Suspensão com mola helicoidal (TM 9-8000, 1985).
A Figura 12 mostra os parâmetros mais importantes que são:
Figura 12: Dimensões da mola helicoidais. (REIMPELL et al, 2001)
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D: Diâmetro médio da bobina, a distância de centro para centro do fio através da bobina.
d: Diâmetro do fio p: Inclinação
Existem outros termos importantes quando se fala sobre mola e suas características e que são importantes quando se vai fazer o dimensionamento da mola, como por exemplo:
C: Spring Index. O “C” é calculado através da divisão do diâmetro médio da bobina pelo diâmetro do fio (C = D/d), geralmente esse valor é maior que 3.
k: Coeficiente da mola. Para calcular o coeficiente da mola é usada a formula k = F/δ, onde o F é a força aplicada sobre a mola e δ é a sua deflexão. Na Figura 13 é mostrado um exemplo de uma mola sendo submetida a uma força
Figura 13: Diagrama de corpo livre de uma mola. (REIMPELL et al, 2001).
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Além disso, outra característica importante é o tratamento da parte final da bobina, que pode ser plano, plano de base reta, quadrado ou de base reta, como é mostrado na Figura 14
Figura 14: Tratamento da parte final da bobina (KRUTZ, 1994).
2.2.2 AMORTECEDOR
A maioria dos amortecedores modernos são do tipo telescópico a óleo. Eles produzem força de amortecimento pela ação do fluido, geralmente óleo, sendo forçado através de um orifício ou válvula.
O amortecedor de tubo duplo é usado na maioria dos carros de passeio nos Estados Unidos. Embora os amortecedores de tubo duplo sejam mais pesados e tendam a operar mais a quente do que os tipos de tubo mono, eles são mais fáceis de fabricar. O amortecedor de tubo duplo tem um tubo externo ao redor do tubo interno e o espaço entre eles forma um reservatório de óleo. À medida que o pistão se move para cima e para baixo, uma válvula na parte inferior do tubo interno permite que o óleo flua para o reservatório. (REIMPELL et al, 2001).
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No amortecedor monotubo, seu funcionamento é simples, ele tem como única ação que o fluido flui através da válvula no pistão. A maioria dos amortecedores de tubo único tem um volume de gás comprimido abaixo de um pistão flutuante. Assim o gás move o pistão conforme o fluido passa pela válvula à medida que vai mudando o volume do fluido. Esse mecanismo tem como objetivo evitar a formação de espuma do fluido de trabalho.
Independentemente do projeto específico, os amortecedores produzem força proporcional à velocidade do pistão. Com várias válvulas, os amortecedores podem fornecer diferentes níveis de amortecimento durante a compressão ou recuperação. Existem diversos estudos e livros sobre amortecedores, podemos citar alguns como por exemplos: Bastow e Howard (1993) que fornecem um capítulo completo sobre as características dos amortecedores e fornecem exemplos do efeito da razão de amortecimento na amplitude de vibração no apêndice. E também podemos citar Milliken e Milliken (1995) que também apresentam excelentes resultados de modelos para vários níveis de amortecimento.
Figura 15: Amortecedor Estrutural McPherson I (Reimpell et al., 2001).
Figura 16: Amortecedor Estrutural McPherson II (Reimpell et al., 2001).
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Contrariando seu nome (shock absorbers), o amortecedor não absorve os choques provenientes das imperfeições da via, o que de fato absorve os choques é a suspensão, a principal atuação dos amortecedores hidráulicos é no amortecimento dissipar a energia imposta ao sistema.
É ilustrado na Figura 17 o efeito nominal do amortecimento para o modelo de ¼ de veículo pelos ganhos de resposta O percentual de amortecimento é determinado pela razão de amortecimento dado pela equação (1):
(1) Onde:
ζ = razão de amortecimento
Cs = coeficiente de amortecimento da suspensão Ks = rigidez da suspensão
M = massa suspensa
Razão de Amortecimento é a razão da quantidade de amortecimento viscoso presente em um sistema àquela requerida para o amortecimento crítico.
Figura 17: Efeito do amortecimento na conduta de isolamento da suspensão (Gillespie, 1992).
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Para um amortecimento bem suave (10%) a resposta é dominada por uma resposta bem alta em 1 Hz. Este tipo de resposta, usualmente conhecido por “flutuação”, faz a massa suspensa amplificar bastante as ondulações da pista.
A curva de razão 40% é razoavelmente representativa da maioria dos carros, reconhecível pelo fato da amplificação da frequência de ressonância estar na faixa entre 1,5 e 2,0 Hz. Em 100% de amortecimento (amortecimento crítico21), o movimento de sobe e desce da massa suspensa a 1,0 Hz é bem controlado, porém com um prejuízo no isolamento das altas frequências. Se o amortecimento é elevado acima do crítico, por exemplo a 200%, o amortecedor torna-se tão rígido que a suspensão não se movimenta mais e o veículo inteiro move-se sobre os seus pneus, ressonando entre 3,0 e 4,0 Hz.
2.3 DINAMICA VEICULAR
A dinâmica veicular é uma importante parte da engenharia envolvida no desenvolvimento de um veículo, esse estudo é feito como principal objetivo lida com a melhoria da segurança, o conforto na dirigibilidade e da preservação do veículo. A dinâmica veicular estuda a interação de alguns fatores como: condutor, veículo, carga e ambiente.
Durante a utilização do veículo, há diversas interferências que influenciam na dinâmica veicular. O veículo e o condutor são os fatores que mais sofrem com essas interferências durante a utilização. Primeiramente vamos exemplificar alguns fatores que influenciam no veículo durante sua condução:
Figura 18: Fluxograma de interação entre condutor e veículo. (RILL, 2009)
41 Figura 19: Fluxograma de interação entre carga e veículo. (RILL, 2009)
Figura 20: Fluxograma de interação entre ambiente e veículo. (RILL, 2009)
Durante o desenvolvimento do projeto de um veículo, são feitas diversas simulações em computador e logo após teste em campo em busca de entregar conforto para o condutor durante a utilização. Nessas simulações em computador, é utilizado um condutor “ideal” para conseguir obter uma primeira impressão sobre o comportamento do veículo e as interações que o condutor irá sofrer durante um trajeto, fazendo essa primeira simulação antes dos testes em campo é uma excelente opção, pois obviamente a segurança do condutor é a prioridade mas o conforto é um fator de extrema importância, então realizando primeiramente uma simulação em computador traz alguns resultados que podem ser analisados antes de partir para os testes em campo. Nos testes de campo o veículo é exposto à diversas situações que ele será exposto durante a sua utilização no dia a dia, e após a realização dos testes são obtidos resultados do comportamento do veículo e o piloto que realizou os testes, que é um piloto profissional, passa suas impressões para a equipe de desenvolvimento sobre como o carro se comportou. Aqui estão alguns exemplos de interações que o condutor sofre durante a utilização de um veículo:
Figura 21: Fluxograma de interação entre veículo e condutor. (RILL, 2009)
Figura 22: Fluxograma de interação entre ambiente e condutor. (RILL, 2009)
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2.4 CONFORTO VEICULAR E DIRIGIBILIDADE
A pista e a forma como o piloto conduz o veículo influenciam na movimentação da suspensão, assim também influenciam no comportamento da carroceria do veículo, logo tem influência na sensação de conforto e dirigibilidade dos passageiros. Sendo assim, existe a necessidade de especificar os aspectos de posição e formato do veículo, suspensão e pneus. A posição do corpo do veículo por exemplo, é especificada através do seu movimento vertical e paralelo ao solo, inclinação e a rolagem. O movimento de deslocamento vertical do corpo do veículo influencia diretamente o câmber das rodas e também os ângulos de direção com relação ao corpo e a via que o veículo está rodando.
O sistema de vibração é um dos critérios mais importantes quando pessoas a qualidade do design e da construção do carro. Sendo um julgamento, é de natureza subjetiva, sendo assim, surge uma das maiores dificuldades no desenvolvimento de métodos objetivos de engenharia para lidar com a dirigibilidade como modo de desempenho do veículo.
Apesar do veículo ser um sistema dinâmico, ele apenas tem vibrações se existir alguma fonte que excite essa vibração no veículo, como mostrado na Figura 23. São as propriedades das repostam que irão determinar a magnitude e direcionar as vibrações impostas, o compartimento onde estão os passageiros irão ser submetidos à essas vibrações. São três principais aspectos que são estudados para a compreensão do comportamento dinâmico do veículo, que são:
• Fontes de excitação;
• Mecanismos básicos de resposta do veículo às vibrações;
• Tolerância e percepção humana às vibrações;
43 Figura 23: Sistema Dinâmico do veículo (Gillespie, 1992).
Quando se trata de fatores críticos que as pessoas julgam em relação à qualidade do projeto e a construção do veículo, a vibração que é transmitida aos passageiros é sem dúvida um dos fatores que as pessoas mais julgam. Por ser um julgamento, ele é subjetivo por natureza, então esse fator tende a ser uma das maiores dificuldades que o setor de engenharia enfrente para estabelecer critérios objetivos para avaliar o comportamento dinâmico do veículo (GILLESPIE, 1992).
Por esses diversos fatores, a tarefa definir se um veículo tem o conforto adequado é muito complexa e subjetiva, pois cada usuário tem uma perspectiva de conforto e essa perspectiva vem mudando com o tempo, se você olhar para trás, um carro que era considerado confortável alguns anos atrás, ele já pode não ser mais considerado confortável nos dias de hoje.
O conforto não está apenas na condução do veículo, mas envolve também o conforto acústico e vibratório.
Apesar de toda dificuldade envolvendo o conforto do passageiro, o conforto é um parâmetro muito importante para as pessoas que desenvolvem um veículo, ainda mais sendo um critério tão importante na escolha do cliente na hora de comprar seu carro.
Apenas de toda dificuldade em mensurar essa questão de conforto, é possível distinguir o conforto através de alguns parâmetros, para o conforto na condução, podemos relacionar a
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capacidade que os pneus e o sistema de suspensão conseguem filtrar as vibrações que são causadas através do movimento do veículo pela via. Já na questão de conforto acústico e vibratório, podemos considerar a vibração e o ruido que são produzidos no interior do veículo através dos dispositivos mecânicos, ou na sua superfície que está em contato com o ar (GENTA e MORELLO, 2009).
A SAE (Society of Automotive Engineers), define os seguintes parâmetros para definir o conforto do veículo para seus passageiros:
• Conforto: uma frequência baixa de vibração que a carroceira do veículo é submetida, até 5Hz;
• Trepidação: uma frequência intermediaria vibração na carroceria do veículo, entre 5 e 25 Hz. Alguns subsistemas do veículo têm sua frequência natural nessa faixa;
• Aspereza: uma frequência alta vibração na carroceria do veículo e de sus componentes, entre 25 e 100 Hz. Frequências nessa faixa já podem ser assimiladas como ruídos;
• Ruído: São fenômenos acústicos que estão na faixa entre 100 Hz e 22 kHz, ou seja, acima da aspereza até o limite que o ouvido humano consegue escutar.
No setor automobilístico existe um debate sobre quais são as características de movimentação que as pessoas não aceitam quando se diz a respeito de conforto. O deslocamento do veículo não é considerado um problema, apesar de uma variação muito alta de aceleração e de frear possa induzir uma sensação de desconforto, quando se mantem uma velocidade constante, geralmente não induz o desconforto ao passageiro.
Essa taxa de variação de aceleração é conhecida como “jerk”. O termo é usado para denotar a taxa de variação da aceleração no tempo, ou seja, é a derivada da aceleração, que produz essa sensação de desconforto.
2.4.1 MOVIMENTO VERTICAL
A análise do movimento vertical do veículo, também conhecido como bounce, é considerado o modelo mais simples de análise do comportamento dinâmico do veículo, ela é
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baseada no modelo de ¼ do veículo. Nessa análise poucos fatores são levados em conta, como por exemplo: a massa do corpo e da roda, que são associados com a rigidez da suspensão, a rigidez dos pneus e o amortecimento. Alguns casos também são considerados a massa do passageiro que está no veículo.
Apesar de ser considerado apenas ¼ do veículo nessa análise, é comum que a massa total do veículo seja considerada. Quando essa massa total é considerada, facilita a compreensão de alguns fatores como o coeficiente total de amortecimento e a rigidez total da suspensão. A Figura 24, apresenta um modelo dessa análise e tem os seguintes paramentos:
• MP = massa efetiva do condutor (geralmente uma);
• KC = rigidez vertical do assento (um);
• CC = coeficiente de amortecimento vertical do assento (um);
• MB = massa do veículo (massa suspensa) (carro inteiro);
• KW = rigidez vertical da suspensão à roda (total);
• CW = coeficiente de amortecimento vertical da suspensão à roda (total);
• MU = Massa da roda (ou seja, a massa não-suspensa) (total);
• KT = rigidez vertical dos pneus (total);
• CT = coeficiente de amortecimento vertical do pneu (total, geralmente pequeno).
Para fazer o posicionamento das massas na vertical, existem as seguintes posições:
• ZR = altura ao solo;
• ZW = altura ao centro da roda;
• ZB = altura ao corpo do veículo;
• ZP = altura ao passageiro.
46 Figura 24: Modelo dinâmico de bounce (Dixon, 2009).
O deslocamento em relação ao solo, pode ser definido através das seguintes equações:
ZR = ZT + ZW ZR = ZT + ZS + ZB ZR = ZT + ZS + ZC + ZP
2.4.2 INCLINAÇÃO
A inclinação, do inglês “pitch”, é o ângulo de rotação do corpo do veículo em relação à um eixo transversal, ou seja, é a movimentação do veículo em que sua frente vai de cima para baixo, que está diretamente relacionada à frenagem, conforme é mostrado na Figura 25. Quando o veículo está parado, o ângulo de inclinação do corpo do pitch é representado por “θB”, geralmente esse ângulo é considerado positivo pois a frente está apontando para cima.
Utilizando a regra da mão direita, esta rotação é considerada uma rotação positiva, sobre seu eixo transversal eixo do veículo que está apontado para a direita, conforme é padronizado pela Society of Automotive Engineers, a SAE. Já no sistema ISO, o eixo transversal é apontado para a esquerda do veículo, com isso, o ângulo de inclinação fica positivo quando a frente está apontando para baixo. Não é considerado uma regra seguir pela regra da mão direita, porém para a análise dinâmica seja um aminho mais seguro a se seguir.
47 Figura 25: Condição de um Veículo em Pitch de Frenagem (Moura, 2003).
Independentemente das variações de forças que o veículo sofre seja em subidas, quando está acelerando ou freando, ou em curvas, existe um momento de pitch, onde já uma transferência da carga da longitudinal, ou seja, transferindo verticalmente a força do pneu.
Como está força impacta diretamente a suspensão do veículo, existe uma variação de forças que resultam em alterações na altura do veículo. Com a atuação dessas forças na suspensão, ocorre alguns efeitos geométricos nas rodas do veículo, fazendo com que alguns fatores sejam alterados como o câmber, ângulo de direção e ângulo de Cáster.
Para calcular o momento de transferência longitudinal total de carga, ou “MTXT”, utilizamos a equação 01,
(01) Onde:
• AX: É a aceleração longitudinal dos pneus;
• m: Massa total do veículo;
• H: Altura do centro de massa;
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Para definir a rigidez de pitch dos pneus ao longo da distância entre eixos, tendo o momento de pitch do veículo sobre o centro de massa é:
(02) Onde:
• Kt: A rigidez vertical do pneu, considerando apenas uma roda;
• “a” e “b”: são as distâncias parciais entre os eixos;
Como isso, temos um ângulo de inclinação da massa que está suspensa dado por:
(03) Já a rigidez do pitch da suspensão, em Nm/rad, é dado por:
(04) Onde: “KS” é a rigidez vertical efetiva da suspensão sobre uma roda, com isso, dando o ângulo de pitch da suspensão de:
(05) Já o ângulo completo de picth do corpo do veículo é definido por “ΘB”, com
aceleração constante, é considerado o ângulo formado pela inclinação total da suspensão e dos pneus:
ΘB = ΘU + ΘS
2.4.3 ROLAGEM
A rolagem é o estudo do comportamento do corpo do veículo quando o veículo é submetido à curva e oscilações da pista em que se está rodando. Esse estudo se baseia na rotação do eixo longitudinal do veículo, e em ambos os sistemas, SAE e ISO, esse eixo está apontando para a frente do veículo, com isso o angulo de rolagem é positivo quando as rotações estão no sentido horário visto da parte traseira do veículo, portando o lado direito está afundando enquanto o lado esquerda está subindo, isso quando o veículo está realizando a curva para a
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esquerda, caso a curva seja para direita o comportamento é ao contrário, a esquerda afunda e a direita sobe. A SAE define a rolagem da suspensão veicular como uma rotação da massa que está suspensa do veículo em relação à um eixo passante que está relacionado a uma linha transversal.
Esses parâmetros são adotados em caso de uma condição perfeita de terreno, considerando que ele esteja plano e que os centros dos eixos dianteiros e traseiros estejam formando duas linhas paralelas transversais, ou seja, todas e pneus de ambos os lados do mesmo tamanho. Em situações que o terreno não seja plano, é adotado um plano médio.
A Figura 26 mostra o comportamento do veículo.
c
Figura 26: Rolagem do Corpo do Veículo, vista traseira (Dixon, 2009).
Conforme mostrado na Figura 26, o ângulo de rolagem “ΦB” é a soma de dois outros ângulos, sendo eles: o ângulo de rolagem da suspensão “ΦS” e o ângulo de rolagem dos eixos, que é formado devido à deflexão do pneu “ΦA”. Com isso no plano da estrada, tem-se:
(06) Quando se está projetando veículos para passeio, é comum ver a rolagem do eixo bastante pequena em relação a rolagem da suspensão, diferentemente de veículos projetados para corridas, onde a suspensão é bem mais rígida e os ângulos de rolagem do eixo é mais essencial.
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A maioria dos arros de passageiros, mais especificamente em veículos com carroceria torsionalmente rígida, o ângulo de torção do corpo “ΦBT” é considerado desprezível em relação os momentos de torção que são aplicados.
No caso que a estrada não é plana e nem nivelada, uma análise adicional se torna necessária.
Nesse primeiro caso, a estrada é plana, porém não é nivelada, um exemplo de estrada que se encaixa nesse padrão é uma estrada de alta velocidade que tem inclinação lateralmente.
Conforme é mostrado na Figura 27, em uma estrada que tem o ângulo de inclinação “ΦR”, a rolagem do corpo de veículo que está em relacionado ao plano de referência é:
(07)
Figura 27: Rolagem do Corpo do Veículo em Pista Inclinada, vista traseira (Dixon, 2009).
2.5 PARAMETROS DA SUSPENSÃO (CINEMÁTICA E ELASTOCINEMÁTICA)
Cinemática é o ramo da mecânica que estuda o movimento dos corpos, essa área é importante no desenvolvimento da suspensão pois ela que vai descrever o movimento que a roda é submetida quando a suspensão está trabalhando e quando a roda está em esterçamento.
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Já a elastocinemática descreve as alterações nas rodas enquanto os pneus estão em movimento e em contato com a via.
Durante os desenvolvimentos dos automóveis, as fabricantes de automóveis especificam certas configurações buscando garantir o contato entre pneu e solo e manter uma estabilidade do veículo durante seu uso, além de evitar que os pneus sofram um desgaste excessivo.
Alguns fatores que o veículo é submetido durante a pilotagem podem ser definidos durante os cálculos do projeto, por exemplo a convergência (Toe-in) que ode ser definida através de tirantes ou discos excêntricos. Já outros fatores como ângulo de cáster e câmber, podem ser ajustados em alguns veículos.
Os dados do ângulo de inclinação, deslocamento do pino mestre, deslocamento do ângulo de caster e diferencial do ângulo de convergência são dados de projeto, que não são fáceis de medir, e são usados apenas para verificar o status de manutenção técnica de veículos danificados por acidentes ou atingidos. certa idade.
2.5.1 DISTÂNCIA ENTRE EIXOS (WHEELBASE)
A distância entre eixos (wheelbase) é medida do centro do eixo dianteiro até o centro do eixo traseiro, como mostrado na Figura 28, é considerada uma propriedade de conforto e dirigibilidade muito importante dos veículos. O dimensionamento dessa caraterística do veículo faz com que ele tenha diferentes comportamentos durante seu uso, por exemplo se você dimensiona uma longa distância entre eixos em relação ao comprimento total do veículo, ele terá características como por exemplo: redução da carga que está sendo transportada sobre a distribuição de cargas nos eixos e maior acomodamento para os passageiros. Já se você dimensiona uma curta distancias entre os eixos fará com que o veículo tenha um desempenho melhor em curvas propicia um menor espaço percorrido em círculo para uma mesma entrada de angular de direção (REIMPELL et al., 2001).
Carros de luxo, como as limusines, têm a distância entre eixos maior do que outros tipos de carros. Alguns fabricantes fabricam especialmente os carros high-end com maior distância entre eixos para atender a alguns clientes de nicho. A maioria dos carros do segmento de luxo,
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como Mercedes Benz e BMW, oferece alguns modelos de carros específicos com uma distância entre eixos mais longa como opção.
Figura 28: Distanciamento entre eixos. (RILL, 2009).
2.5.2 ÂNGULO DE CÁSTER
O ângulo de Cáster refere-se ao ângulo que o eixo pivô de direção forma quando está inclinado em relação ao eixo vertical, conforme mostrado na Figura 29. Para padronizar esse dimensionamento, é utilizada a DIN70020.
O ângulo de Cáster pode ser negativo, zero ou positivo em relação ao plano cartesiano, cada um tem suas vantagens e são usados em diferentes aplicações.
c
Figura 29: Exemplos de ângulos Cáster. (Dixon, 2009)
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2.5.2.1 Cáster negativo
Quando o eixo pivô de direção está mais para a frente do veículo do que o eixo vertical, o veículo tem um Cáster negativo.
Veículos com Cáster negativo sofrem de estabilidade reduzida e manuseio ruim. Por causa disso, você normalmente encontrará Cáster negativo em veículos mais antigos com sistemas de direção desatualizados.
Carros históricos e de classe tinham Cáster negativo, o que tornava seus sistemas de direção não motorizados muito mais leves. Já esteve em um carro antigo que tem direção muito pesada? Cáster negativo ajudaria com isso. Para veículos modernos, no entanto, a direção hidráulica tornou essa vantagem obsoleta.
A única vantagem do Cáster negativo é que é mais fácil girar o volante. Mas, a menos que você tenha um veículo sem direção hidráulica, nem notará a diferença. O Cáster negativo tende a ter um comportamento de endireitar a roda quando o veículo está se desloca para frente, e assim é usado para melhorar a estabilidade quando está se deslocando em linha reta (JAZAR, 2008).
2.5.2.2 Cáster positivo
Um ângulo de Cáster positivo tem uma série de vantagens de desempenho que podem levar seu veículo ao próximo nível. Contanto que seu veículo tenha direção hidráulica, e a menos que você dirija um veículo antigo, não há desvantagens no rodízio positivo.
Você obtém melhor manuseio nas curvas, melhor estabilidade em altas velocidades e melhor rastreamento em linha reta. A melhor tração nas curvas é semelhante a um veículo com cambagem negativa, pois mantém mais piso no solo, apesar dos ângulos agudos. Um patch de contato maior significa mais aderência, e isso nunca é uma coisa ruim.
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2.5.2.3 Cáster zero
Cáster zero não é uma opção ruim, mas também não faz nada para melhorar o desempenho do veículo. Você obtém uma dirigibilidade um pouco pior do que o Cáster positivo e um manuseio um pouco melhor do que o Cáster negativo.
A direção é um pouco mais fácil do que um Cáster positivo e um pouco mais difícil do que um Cáster negativo. É genuinamente o meio-termo para o Cáster negativo e positivo em quase todos os sentidos. Por causa disso, não há muita necessidade de veículos com zero Cáster.
2.5.3 CÂMBER (CAMBER ANGLE)
Câmber é o ângulo formado entre uma linha vertical em relação ao plano da superfície de rodagem e o plano central da roda, que pode ser visto pela frente ou pela traseira de um veículo, como mostra na Figura 30. Esse ângulo é regulamentado pela DIN70000.
Figura 30: Câmber de uma suspensão. Vista de frente (Nicolazzi, 2012).
Quando a parte superior da roda é deslocada para fora, como mostra a Figura 30, o câmber é considerado positivo. Para dentro é negativo.
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A força em curva que um pneu pode desenvolver é altamente dependente de seu ângulo relativo à superfície da estrada, e assim o câmber das rodas tem um efeito importante sobre a manutenção de um carro sobre a estrada. Um pneu desenvolve sua força máxima lateral em um ângulo de câmber pequeno. Esse fato é devido à contribuição do empuxo de curvatura, que é uma força lateral adicional gerada pela deformação elástica da borracha do pneu na interface com o piso de rodagem. (IEZZO, 2010).
O carro é projetado para que a roda seja conectada ao chassi do veículo através do sistema de suspensão, e a suspensão é projetada para ser deslocada verticalmente durante a curva. Sendo assim, para ter um desempenho mais otimizado nas curvas, a suspensão deve permitir uma pequena angulação do câmber na direção da rolagem da carroceria.
Para otimizar o desempenho do pneu, existe várias variáveis que são fundamentais para isso, e o ângulo de câmber é uma dessas, outas variáveis importantes são: a carga, a temperatura, a pressão e o ângulo de escoamento. O câmber estático é utilizado de forma conjunta com o câmber de compensação de geometria da suspensão, buscando fazer o posicionamento do pneu no melhor ângulo de inclinação quando o veículo está em curva (MILLIKEN e MILLIKEN, 1995).
Durante a fase de projeto de um veículo, alguns valores têm que ser adotados para suprir algumas variáveis, como por exemplo o peso de projeto, que geralmente é adotado como se o veículo estivesse carregando duas ou três pessoas. Antigamente em veículos de passageiros, um câmber ligeiramente positivo é mais útil pois mantem o contato dos pneus com o solo, de forma que fique o mais vertical possível e provocando um desgaste de pneus de forma mais uniforme e uma menor resistência ao rolamento. A Figura 31 mostra o valor ideal desse efeito que seria:
εw = 5’ a 10’, ou seja, aproximadamente 0,1°
Atualmente essa regra não se aplica mais, agora é mais comum você encontra o ajuste negativo em veículos de passageiros, mesmo que o veículo esteja vazio. Isso se deve para melhorar a dirigibilidade e ter uma melhor aderência lateral dos pneus nas curvas. Hoje em dia os valores de ajuste para o eixo dianteiro em veículos são:
εw,f,ul = 0 a – 1°20’
