UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA E DE PRODUÇÃO CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ESTUDO DO BALANCIM DA SUSPENSÃO DO PROTÓTIPO FÓRMULA SAE
DARLAN ALMEIDA BARROSO
FORTALEZA 2009
DARLAN ALMEIDA BARROSO
ESTUDO DO BALANCIM DA SUSPENSÃO DO PROTÓTIPO FÓRMULA SAE
Monografia apresentada ao Departamento de Engenharia Mecânica e de Produção da Universidade Federal do Ceará como parte dos requisitos para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico.
ORIENTADOR: PROF. DR. CARLOS ANDRÉ DIAS BEZERRA
FORTALEZA 2009
AGRADECIMENTOS
A Deus, pela capacidade que me concede.
Ao meu pai, minha mãe e minha irmã, que estão sempre me incentivando direta e indiretamente.
À minha namorada Rafaele Brandão, pela paciência, compreensão e apoio.
Ao Eng. Erik Tahim, pelo apoio dado na elaboração deste trabalho.
Ao Eng. Ronaldo Maciel, pela compreensão nas horas de ausência.
Aos integrantes da equipe Fórmula SAE UFC, pelo tempo investido na construção do veículo.
À FUNCAP e ao CREA-CE, pelo incentivo dado à fabricação do carro.
À NSK Rolamentos, pelo patrocínio desde o princípio do projeto.
Ao Prof. Wyllis, pelo apoio técnico durante a construção do protótipo e durante a competição Fórmula SAE Brasil 2007.
Ao Prof. Dr. Carlos André Dias Bezerra, pela orientação para a realização deste trabalho.
Ao Prof. Dr. Hélio Cordeiro de Miranda, pelo apoio, incentivo, dedicação e credibilidade no projeto Fórmula SAE UFC.
“Se o Engenheiro não sabe modelar o problema sem o computador, ele não deve fazê-lo tendo o computador.”
Avelino Alves Filho
RESUMO
Este trabalho relata sobre o estudo do balancim, um dispositivo da suspensão do veículo Fórmula SAE que recebe os esforços oriundos do movimento de rolagem do veículo e os transmite para a estrutura do chassi de uma forma minimizada por uma relação de momento e suavizada pelo conjunto mola – amortecedor. É citada uma revisão sobre parâmetros usados em dinâmica veicular e realizada uma análise geométrica das forças e dos esforços provocados por tais. Em seguida é feita a análise pelo método dos elementos finitos, que utiliza a teoria de discretização de sistemas e analisa a resistência do componente baseado na energia de distorção, determinando a tensão máxima sofrida pelo componente e a região de maior solicitação. Com os valores de tensão obtidos, é determinado o fator de segurança para o carregamento dinâmico com o objetivo de analisar a resistência do balancim à fadiga.
Palavras-chave: Balancim, suspensão, análise de tensões, protótipo tipo fórmula.
LISTA DE FIGURAS
Figura 01 – Foto de tipo de balancim...17
Figura 02 – Representação do centro de gravidade nas coordenadas x, y e z...21
Figura 03 – Representação da ação da aceleração centrípeta durante a curva...22
Figura 04 – Representação da transferência de peso longitudinal durante a frenagem...23
Figura 05 – Representação da transferência de peso lateral durante a curva...24
Figura 06 - Ilustração sobre a alternativa de análise pelo método dos elementos finitos quando se tem uma solução analítica impossível de ser demonstrada...26
Figura 07 - Foto do modelo inicial do balancim com a divisão finita dos elementos..27
Figura 08 - Exemplo de uma superfície irregular visualizada por uma malha tetraédrica...28
Figura 09 - Relação desejada na montagem do balancim...30
Figura 10 - Projeto do Balancim em três dimensões...30
Figura 11 – Detalhe de fixação do balancim no chassi...31
Figura 12 - Dimensões iniciais do balancim para estudo...32
Figura 13 - Representação das bitolas e distância entre os eixos...34
Figura 14 - Plano Frontal da suspensão dianteira do Protótipo...34
Figura 15 - Plano Superior da suspensão dianteira do Protótipo...35
Figura 16 - Plano Lateral da suspensão dianteira do Protótipo...35
Figura 17 – Decomposição da força transmitida pelo tirante...35
Figura 18 - Representação das forças atuantes e suas respectivas distâncias...36
Figura 19 - Gráfico da deformação da mola em função da carga aplicada...37
Figura 20 - Distribuição de massa em cada eixo antes e após a frenagem...41
Figura 21 - Distribuição de massa em cada roda do eixo dianteiro antes e após a curva...42
Figura 22 - Representação da força na roda e da reação no tirante em função da distância ao ponto fixo...44
Figura 23 - Representação do ângulo compreendido entre a força aplicada e a posição tirante da roda no plano formado pelos dois vetores...45
Figura 24 - Representação da decomposição das forças FA e FB e suas respectivas distâncias com relação ao ponto A...46
Figura 25 – Representação dos ângulos formados pelas linhas de ação das
forças...47
Figura 26 - Posição deslocada do balancim por um ângulo φ...48
Figura 27 - Posição final do balancim com relação ao seu deslocamento devido ao carregamento na roda dianteira externa a curva...49
Figura 28 - Decomposição das forças aplicadas no balancim...50
Figura 29 - Gráfico de cores para a tensão de Von Misses...56
Figura 30 - Gráfico de cores para o deslocamento sofrido pelo balancim...56
Figura 31 - Gráfico de cores para o fator de segurança do balancim...57
LISTA DE TABELAS
Tabela 01 - Propriedades Mecânicas do aço SAE1020...31
Tabela 02 - Relação das massas dos componentes do protótipo...33
Tabela 03 - Parâmetros de entrada para o cálculo dos esforços...40
Tabela 04 - Relação da magnitude das forças e componentes para análise...52
Tabela 05 - Resultado da simulação do carregamento no balancim para o aço estrutural SAE1020...55
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
CAD Computer Aided Design CAE Computer Aided Engineering
FEI Faculdade de Engenharia Industrial FS Fator de Segurança
MEF Método dos Elementos Finitos SAE Society Automotive Engineers UFC Universidade Federal do Ceará
