Influência da pressão do pneu em cargas dinâmicas
verticais aplicadas ao pavimento pela suspensão
dianteira de um caminhão.
Pablo Yugo Yoshiura Kubo1, Cassio Eduardo Lima de Paiva1, Adelino Ferreira2, Arthur Eduardo de Freitas Larocca3, Bruno Rose4
1 Dept. de Engenharia Civil ,Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Brasil. 2 Dept. de Engenharia Civil, Universidade de Coimbra, Portugal
3 Dept. de Engenharia Mecânica, Alpha Assessoria Técnica e Serviços Ltda, Brasil. 4
Dept. de Engenharia Mecânica, Volvo do Brasil, Brasil.
RESUMO
O principal objetivo desta pesquisa é apresentar os resultados da influência da pressão do pneu, da suspensão dianteira de um caminhão, em cargas dinâmicas verticais aplicadas ao pavimento. Para as medições, utilizou-se uma pista de teste de durabilidade localizada na região sul do Brasil. A pressão do pneu teve um incremento de 10 psi começando em 90 psi até 130 psi com carregamento constante de 6 toneladas na suspensão dianteira, máximo carregamento permitido neste eixo de acordo com a legislação Brasileira. Aplicando o conceito de dano relativo, é possível concluir que a variação na pressão do pneu não afeta significativamente a carga aplicada ao pavimento. Apesar dos resultados obtidos, recomenda-se repetir a metodologia empregada de modo a analisar a influência da variação dos outros parâmetros do modelo de ¼ de veículo.
Palavras chave: Dano, Carga dinâmica vertical, Pneu.
ABSTRACT
The main objective of this research study is to present the results of the influence of tire pressure, from a truck front suspension, on the vertical dynamic load applied on the pavement. For the measurements, it has been used a durability test track located in Brazil. The tire pressure was increased by 10 psi from 90 to 130 psi with a constant load of 6 tons on the front suspension, the maximum allowed load for front axle, according to Brazilian legislation. By applying relative damage concept, it is
possible to conclude that the variation on the tire pressure will not affect significantly the load applied on the pavement. Although, it is recommended to repeat the same methodology, in order to analyse the influence on the variation of the other ¼ model car variants.
Keywords: Damage, Vertical dynamic load, Tire.
INTRODUÇÃO Contexto
A carga dinâmica vertical é diretamente relacionada com a deterioração do pavimento (SAYERS et al, 1986). Portanto, essa relação pode também ser estendida para diversos veículos, especialmente para os veículos comerciais – caminhões e ônibus.
Ao analisar o modelo de ¼ de veículo (Figura 1) é esperado que a rigidez do pneu influencie este parâmetro alterando a pressão do pneu.
Figura 1. Modelo 1/4 de veículo Fonte: Gillespie (1992)
M1: massa suspensa;
k1: rigidez da suspensão primária;
c1: força de amortecimento;
m1: massa não suspensa;
k1’: rigidez do pneu. Objetivo
O objetivo principal da pesquisa é analisar a influência da pressão do pneu na carga dinâmica vertical aplicada no pavimento.
Delimitações do estudo
A fim de analisar a influência da pressão do pneu, foi necessário manter constantes as outras variantes do modelo de ¼ de veículo (Figura 1):
- Massa suspensa e não suspensa: estabelecida em 6 ton - peso máximo permitido no eixo frontal de acordo com a legislação brasileira;
- Rigidez da suspensão primária e força de amortecimento: estabelecido de acordo com especificações do fabricante – componentes novos;
- Perfil longitudinal do pavimento: os testes foram realizados em um campo de provas localizado no sul do Brasil;
- Foi escolhido um caminhão 8x2 rígido (Figura 2) e todas as medicões refletem as cargas nos dois eixos direcionais.
Figura 2. Caminhão utilizado no teste
Além disso, a variável análise foi o carregamento vertical aplicado ao pavimento pelo caminhão, porém este artigo não considera a distribuição do mesmo devido à deformação do pneu; tema este amplamento discutido em outros estudos (DE BEER, FISCHER e JOOSTER, 1997; SIDDHARTHAN et al. 2002; KIM, SALGADO e ALTSCHAEFFL, 2005; LUO e PROZZI, 2006; COSTA, 2007; SOARES et al, 2008; CESBRON et al, 2008; WANG e AL-QADI, 2010; WANG e ROQUE, 2011).
METODOLOGIA
Instrumentação e calibração
Strain gauges (extensômetros) uniaxiais foram posicionados nas
lâminas principais das molas do 1º e 2º eixos direcionais (Figura 3) no lado esquerdo e direito do veículo.
Figura 3. Instrumentação realizada na mola da suspensão primária
Os valores registrados pela instrumentação mencionada foram em µe (micro-strain). Portanto, foi necessário calibrar o sistema a fim de estimar a força aplicada no pavimento.
Para isto, utilizando de uma balança, aplicou-se diferentes cargas no veículo com o objetivo de obter a curva de calibração – correlação entre deformação (µe) no feixe de mola e a carga aplicada no pavimento (toneladas) - Figura 4.
Figura 4. Balança utilizada e curva de calibração obtida
Devido ao fato de que todas as molas testadas possuem a mesma rigidez, as curvas de calibração têm características semelhantes.
Procedimento do teste
Utilizou-se uma pista de buracos (pavimento rígido) para as medicões, com os seguintes parâmetros constantes: peso do veículo (6 toneladas por eixo frontal), velocidade do veículo (40 km/h), configuração original do amortecedor e rigidez da mola da suspensão primária. A única variante foi a pressão do pneu: 90 psi; 100 psi; 110 psi (pressão recomendada para o peso aplicado no veículo (ALAPA, 2013)); 120 psi; and 130 psi – respectivamente: 621 kPa, 690 kPa, 758 kPa, 827 kPa e 896 kPa. Dimensões do pneu: 295/80 R22.5.
Figura 5. Detalhe da pista de buraco
ANÁSLISE DOS RESULTADOS Resultados gerais
A figura 6 apresenta um exemplo de sinal temporal de cada mola frontal com pressão do pneu em 110 psi. A figura mencionada refere-se a carga aplicada no pavimento em cada pneu dos eixos frontais, em toneladas.
Figura 6. Sinal temporal - carga aplicada no pavimento - 110 psi
Analisando os dados do sinal temporal, não é possível chegar em uma conclusão. Portanto, foi necessário usar outras análises estatísticas.
Histogramas
As figuras 7 à 10 apresentam os histogramas para as pressões de pneu testadas. É possível visualizar nestas figuras que os picos de contagem estão próximos à carga estática (3 toneladas). Apesar disso, com esta ferramenta estatística, não foi possível analisar o comportamento de outras cargas sobre o pavimento.
Figura 7. Histograma da carga aplicada no pavimento - 1º eixo lado esquerdo
Figura 9. Histograma da carga aplicada no pavimento - 2º eixo lado esquerdo
Cálculo do dano relativo
Amplitudes constantes equivalentes aos níveis de tensões são calculadas, com o intuito de estimar a vida em fadiga de um carregamento com carregamento variável. Para tanto, utiliza-se o método de contagem do tipo rainflow (equações 1 à 4), a qual é recomendada para uma variação altamente irregular da carga em relação ao tempo (DOWLING, 2013).
𝜎𝑎 = (𝜎𝑚𝑎𝑥−𝜎2 𝑚𝑖𝑛) (1)
Onde:
σa: tensão média para cada ciclo (σmax, σmin);
σmax: tensão máxima para cada contagem de ciclo;
σmin: tensão mínima para cada contagem de ciclo;
𝑁𝑓𝑗 =12(√𝜎𝑚𝑎𝑥𝜎′ .𝜎𝑎 𝑓 ) 1 𝑏 (2) Onde:
𝑁𝑓𝑗: dano absoluto para cada contagem de ciclo;
𝜎′𝑓: tensão teórica que indica a falha com zero ciclos (propriedade do material);
b: inclinação da curva de fadiga (propriedade do material). ∑ 𝑁𝐽
𝑁𝑓𝑗: 𝑑𝑎𝑛𝑜 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 (3)
Onde:
Nj: quantidade de ciclos contados para cada intervalo;
Finalmente, o dano relativo será a relação entre o dano da respectiva pressão de pneu testada com a pressão de referência (110 psi).
Figura 11. Dano relativo entre as pressões de pneu, considerando k=5
Analisando a figura 11, é possível observar que o dano relativo entre as pressões do pneu não estão diretamente relacionadas com a carga vertical aplicada ao pavimento.
CONCLUSÃO E RECOMENDAÇÕES
Aplicando-se o conceito de dano relativo, é possível concluir que a variação na pressão do pneu não irá afetar significativamente a carga aplicada ao pavimento. Apesar dos resultados obtidos, recomenda-se repetir a metodologia empregada de modo a analisar a influência da variação dos outros parâmetros do modelo de ¼ de veículo.
REFERÊNCIAS
ALAPA. Latin American Association for Tires and Rings. Technical Regulation. São Paulo, pp. 1-351, 2013.
CESBRON, J. et al. Influence of road texture on tyre/road contact in static conditions. Road Materials and Pavement Design, v. 9, n. 4, p.689-710, 2008
COSTA Argemiro Luis de Aragão. Caracterização do comportamento
vibracional do sistema pneu-suspensão e sua correlação com o desgaste irregular verificado em pneus dianteiros de veículos comerciais. 2007. Tese (Doutorado) - Curso de Engenharia Mecânica,
Departamento de Engenharia Mecânica, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2007.
DE BEER, M.; FISCHER C.; JOOSTER, F. J.. Determination of pneumatic tyre/pavement interface contact stresses under moving loads and some effects on pavements with thin asphalt surfacing layers. In: INTERNATIONAL CONFERENCE ON ASPHALT PAVEMENTS, 8, 1997, Seatle. Proceedings. Seatle: ICAP, 1997. p. 179-227.
DOWLING, N. E.: Mechanical behaviour of materials: engineering method for deformation, fracture and fatigue. 4. ed. New Jersey: Pearson, pp. 1-936, 2012.
GILLESPIE, T.: Fundamentals of vehicle dynamics. Warrendale: Society of Automotive Engineers, Inc., pp. 1-495, 1992.
KIM, D.; SALGADO, R.; ALTSCHAEFFL, A. G.. Effects of supersingle tire loading on pavements. Journal of Transportation Engineering, p.732-743. 2005.
LUO, R.; PROZZI, J. A.. Strain distribution in the asphalt layer under measured 3-D tire-pavement contact stresses. Road Materials and
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SOARES, R. F. et al.. A computational model for predicting the effect of tire configuration on asphaltic pavement life. Road Materials and
Pavement Design, v. 9, n. 2, p.271-289, 2008.
WANG, H.; AL-QADI, I. L.. Evaluation of surface-related pavement damage due to tire braking. Road Materials And Pavement Design, v. 11, n. 1, p.101-121, 2010.
WANG, G.; ROQUE, R.. Impact of wide-based tires on the near-surface pavement stress states based on three-dimensional tire-pavement. Road
