2. avaliação dos níveis de vibração existentes em passageiros de ônibus rodoviários...

Avaliação dos níveis de vibração existentes empassageiros de ônibus rodoviários

intermunicipais, análise emodificação projetual1

Márcio Walber2

Alberto Tamagna3

Resumo

Este trabalho tem como objetivos avaliar os níveis vibratórios a que ospassageiros de ônibus rodoviários intermunicipais estão submetidos e re-alizar uma mudança projetual na carroceria/poltrona que atenue tais efei-tos. Neste estudo foram realizadas medições das acelerações produzidasna direção vertical, de acordo com a Norma ISO 2631, confrontando comas curvas-limite de conforto, saúde e fadiga. É importante quantificar osníveis de vibração a que o passageiro de ônibus está submetido e tambémavaliar quanto tempo ele pode utilizar o transporte sem que haja riscos àsua saúde. Também é necessário conhecer o comportamento da carroceriaem relação aos efeitos vibratórios para dimensionar a estrutura. A modifi-cação projetual foi realizada utilizando análise dinâmica, por meio domodelo numérico da carroceria, poltrona e chassi, aplicando ao modelonumérico a rugosidade de pavimentos asfálticos medida experimental-mente, permitindo visualizar numericamente os efeitos vibratórios na estru-tura da poltrona e, em consequência, gerar uma mudança projetual ameni-zando tais efeitos.

Palavras-chave: Ônibus. Poltrona. Vibrações. Elementos finitos.

Abstract

The purpose of this work is to assess the vibratory levels the ones thatpassengers of inter-municipal road buses are submitted; and make a projectchanging in body/seat that attenuates such effect. In this study wereconducted measurements of accelerations produced in the vertical directionaccording to ISO 2631, clashing with the curve-limit of comfort, healthand fatigue. It is important to quantify the vibration levels that the buspassenger is submitted being seated in the armchair and also assess howlong it can use the transport without risks to its health. It is also necessaryto know the body’s behavior related to the vibratory effect to measure thestructure. The modification of the project was accomplished using dynamicanalysis, using numerical model of the body, armchair and chassis,

1Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS em 27/04/09.2Doutor em Engenharia Mecânica PROMEC/UFRGS. Professor da Universidade de Passo Fundo, Faculdade de Engenharia e Arquitetura/FEAR. E-

mail: [email protected] em Engenharia PROMEC/ UFRGS. Professor da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Escola de Engenharia, Departamento de Enge-

nharia Mecânica. E-mail: [email protected]

Artigo recebido em 04/12/09 e aceito em 18/05/10.

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Walber, M., Tamagna, A.

Revista Liberato, Novo Hamburgo, v. 11, n. 15, p. 1-88, jan./jun. 2010

applying to the numerical model the roughness of measured asphalt floors,allowing to know numerically the vibratory effect in the structure of thearmchair and, consequently, to generate a project changing easing sucheffecst.

Keywords: Bus. Seat. Vibrations. Finite elements.

1 Introdução

A exposição a vibrações e choques me-cânicos pode causar desconforto e alteraçõesfisiológicas no corpo humano. Muitas pes-quisas têm sido realizadas ao longo dos últi-mos anos com o objetivo de conhecer o com-portamento do corpo humano quando expos-to a vibrações mecânicas.

O Ministério da Saúde do Brasil (porta-ria 1339, 1999) considera as vibrações comoagente de risco de natureza ocupacional.Porém há uma dificuldade em quantificar operíodo e também as faixas de frequências emagnitudes de vibrações a que o indivíduopode ficar exposto sem que ocorram danosà sua saúde.

O passageiro de ônibus pode ficar, emcertos casos, muitas horas, acomodado nointerior da carroceria, submetido a efeitosvibratórios oriundos do funcionamento domotor, quando o veículo se encontra para-do, e a efeitos vibratórios oriundos da estra-da que não são totalmente absorvidos pelasuspensão do chassi, quando o ônibus estáem movimento.

O transporte intermunicipal coletivotem sido um dos meios de locomoção maisprocurados pelas pessoas na atualidade, e oônibus, especificamente, é uma das opçõesde transporte mais utilizadas nesta catego-ria. A tabela 1 apresenta dados referentes aosnúmeros das frotas de ônibus e empresas

registradas no período de 2004 a 2007 noBrasil.

No Brasil, o transporte coletivo emcarrocerias de ônibus tem se mostrado comoum dos meios de locomoção mais utilizadospara transporte de passageiros. Portanto,deve-se ter um cuidado especial ao elaboraro projeto deste produto, pois pessoas ficarãoacomodadas em seu interior durante muitashoras. Assim, cresce a necessidade de reali-zação de novas pesquisas e estudos, permi-tindo que as empresas fabricantes deste tipode produto criem soluções capazes de evitarque aconteçam possíveis problemas aos usu-ários do produto, além de aumentar o seuconforto e melhorar as condições do trans-porte.

Neste estudo avalia-se como os efeitosvibratórios chegam até os passageiros e a queníveis de vibração estes estão submetidos;também se investiga se há algum tipo de ris-co ocupacional para, assim, contribuir paraque o projeto do produto esteja de acordocom as expectativas dos usuários de ônibus.

O passageiro usuário de ônibus fica emcontato com as vibrações da carroceria pormeio da poltrona onde está sentado e doassoalho da carroceria (figura 1). As vibraçõessão transmitidas para o corpo do passageiropor meio dos pés em contato com o chão e dasdemais partes do corpo que estão em contatodireto com a poltrona. Antes de chegar à pol-trona, as oscilações oriundas do terreno pelo

Tabela 1 – Frota de ônibus no Brasil

2004 2005 2006 2007

Quantidade de empresas 209 207 222 196

Quantidade de veículos (ônibus) 12.976 13.212 15.616 13.907

Fonte: Anuário Estatístico 2007 – ANTT

19Revista Liberato, Novo Hamburgo, v. 11, n. 15, p. 1-88, jan./jun. 2010

Avaliação dos níveis de vibração...

qual o ônibus transita passam pela suspensãodo veículo; desta, para o chassi; deste, para acarroceria e, por fim, chegam ao passageiro.

(por exemplo, quando está sentado sobre umassento que vibra, em pé sobre um solo vibranteou também encostado sobre uma superfícievibrante). As vibrações de corpo inteiro apre-sentam-se principalmente em transportes.

Segundo Vieira (1998), o corpo humanopode ser considerado como um sistema mecâ-nico complexo, de múltiplos graus de liberda-de. Na reação do corpo humano em um cam-po de vibrações e choque, deve-se considerarnão apenas a resposta mecânica do sistema,mas também o efeito psicológico sobre o indi-víduo. Os efeitos das vibrações sobre o corpohumano são, entre outros, visão turva, perdade equilíbrio, falta de concentração, dor de ca-beça, náuseas, cinetose (enjôo decorrente dosmovimentos) e urgência urinária. Há ainda for-tes evidências de associação entre vibrações elesão dos discos invertebrais (COUTO, 2006).

A Norma ISO 2631 estabelece curvas delimite de aceleração máxima recomendadaspara cada tempo de exposição. O corpo podeser submetido a vibrações em várias direções eposições, em pé, sentado ou deitado. Três có-digos de severidade são encontrados na norma:1. limite de conforto, que é aplicável parapassageiros de veículos;2. limite de perda de eficiência causado porfadiga, que está relacionado à preservaçãoda eficiência do trabalho e é relevante paraoperadores de máquinas e motoristas;3. limite de exposição sob condições especí-ficas que oferecem perigo à saúde.

Para medição de vibrações de corpo in-teiro periódica, aleatória e transiente, a esca-la de frequência considerada é:- 0,5 hertz a 80 hertz para a saúde, o confor-to e a percepção;- 0,1 hertz a 0,5 hertz para a doença de mo-vimento.

2.1 Critérios para avaliação das vibraçõesno corpo humano

A norma ISO 2631 (1997) estabeleceque a medida preliminar do valor da vibra-ção será em termos de aceleração r.m.s. Afrequência de vibrações é expressa em ciclospor segundo (Hz) e incide sobre a extensãodos objetos que transmitem vibrações.

Figura 1 – Partes em contato entre o passageiro e poltrona– vista lateral

Basicamente, as vibrações transmitidasao corpo humano são classificadas depen-dendo da região do corpo atingida, a saber:- vibrações de corpo inteiro: são de baixafrequência e alta amplitude, situando-se nafaixa de 1 a 80 Hz, mais especificamente 1 a20 Hz. Estas vibrações são específicas paraatividades de transporte e são normatizadaspela Norma ISO 2631;- vibrações de extremidades (também conhe-cidas como segmentais, localizadas ou demãos e braços): são as mais estudadas e situ-am-se na faixa de 6,3 a 1250 Hz, ocorrendonos trabalhos com ferramentas manuais enormatizadas pela Norma ISO 5349.

2 Vibrações no corpo humano

A vibração no corpo humano é divididaem dois grandes grupos (GRIFFIN, 1990): vi-bração de corpo inteiro (Whole Body Vibration– WVB) e vibração no segmento mão-braço(Hand Arm Vibration – HAV). Este estudo temcomo enfoque principal as vibrações de corpointeiro (WVB) em pessoas sentadas, sendo quea frequência de ressonância humana para ocorpo inteiro na direção vertical (eixo z) ficana faixa entre 4 a 8 Hz, direção na qual o corpohumano é mais sensível aos efeitos vibratórios.

Griffin (1990) afirma que as vibrações decorpo inteiro ocorrem quando a massa do cor-po está apoiada sobre uma superfície vibrante

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A aceleração r.m.s. é expressa em metrospor segundo ao quadrado (m/s2) para a vi-bração translacional e em radianos por segun-do ao quadrado (rad/s2) para a vibração ro-tatória. A aceleração r.m.s. compensada é cal-culada com a expressão:

(1)

onde aw (t) é a aceleração compensada em

função do tempo em m/s2 e T é a duração damedição, em segundos.

A Norma ISO 2631 apresenta valores deaceleração r.m.s. ponderada, indicando a rea-ção das pessoas expostas a efeitos vibratóriosem relação ao conforto. Os valores da tabela2 mostram indicações aproximadas de pro-váveis reações das pessoas expostas.

Tabela 2 – Aceleração r.m.s em relaçãoao conforto

Aceleração Classificaçãor.m.s. (m/s2)

< 0,315 Confortável0,315 a 0,63 Um pouco desconfortável

0,8 a 1,6 Desconfortável1,25 a 2,5 Muito desconfortável

>2 Extremamente desconfortável

Fonte: ISO 2631-1, 1997

Conforme apontam históricos de estu-do de vibrações, desde a metade do séculoXIX até a atualidade, inúmeros estudos so-bre vibrações no corpo humano foram e es-tão sendo desenvolvidos. Especificamente emrelação ao passageiro de ônibus rodoviáriointermunicipal, existem poucos estudos queavaliam a exposição à vibração.

3 Análise dinâmica pelo método doselementos finitos

Segundo Alves Filho (2005), os méto-dos analíticos clássicos permitiam, a partir dasolução das equações diferenciais, calcular aresposta exata dos deslocamentos, deforma-ções e tensões na estrutura em todos os seus

pontos, isto é, nos seus infinitos pontos. Con-tudo, essas soluções eram válidas apenas parasistemas de geometria simples, com condi-ções de apoio e carregamentos simples. Es-sas técnicas foram complementadas por in-termédio das técnicas de discretização de sis-temas contínuos. Ao tratar um sistema estru-tural como um sistema discreto, são calcula-dos os deslocamentos de alguns pontos daestrutura, chamados de “nós” do modelo. Seo número de pontos discreto escolhido é su-ficiente para representar o deslocamento daestrutura inteira de forma aproximada, é pos-sível calcular as tensões e deformações. Essaé a ideia do método dos elementos finitos(MEF). A figura 2 mostra os principais pas-sos efetuados na análise pelo método dos ele-mentos finitos.

Com base na matriz de rigidez de cadaelemento, o software monta a matriz de rigi-dez da estrutura, onde, depois de calculadosos deslocamentos nodais, são calculados osdeslocamentos, as deformações e as tensõesdentro dos elementos, permitindo avaliar aestrutura como um todo. Um grande núme-ro de aplicações em engenharia envolve com-ponentes sujeitos a cargas dinâmicas. A mai-oria dos componentes mecânicos está sujei-ta a cargas que variam com o tempo e, por-tanto, possuem características dinâmicas(ALVES FILHO, 2005).

Figura 2 – Passos principais realizados na análise por MEFFonte: ALVES FILHO, 2005

O grande desafio na análise estrutural di-nâmica é determinar a relação entre as cargas

aw = ∫ a

w2 (t) dt

1T

T

0

12



[M].[Ü] + [C].[U] + [K].[U] = {F (t)} (3)

4 Projeto de carrocerias de ônibus

Tendo em vista um dos objetivos prin-cipais deste estudo, que é medir e analisar avibração a que os passageiros que utilizam otransporte em viagens de média e longa dis-tância por ônibus estão submetidos, é muitoimportante conhecer o processo de projeto emontagem deste produto para poder enten-der como se dá a transferência dos efeitosvibratórios originados do chassi e tambémdos efeitos externos a que a carroceria e ochassi estão submetidos.

4.1 Componentes de carrocerias de ônibus

A montagem de uma carroceria de ôni-bus é feita pelo acoplamento de uma estru-tura chamada de “casulo” num chassi.

A carroceria é revestida nas laterais abai-xo da janela com chapas finas de alumínio. Aspartes frontal, traseira e teto são revestidas defibra de vidro, as portas e portinholas externastambém são compostas por estrutura e revesti-mento de alumínio, e as janelas podem sermontadas na estrutura do ônibus através de bor-racha ou coladas.

4.1.1 Casulo

O casulo de uma carroceria de ônibus ébasicamente dividido em seis partes: base,teto, lateral direita, lateral esquerda, frente etraseira, conforme mostra a figura 3.

variáveis com o tempo que atuam nos nós daestrutura e os deslocamentos da estrutura intei-ra, que também variam com o tempo. Consi-derando que no MEF são tratados os sistemasdiscretos, podem-se obter resultadossatisfatórios envolvendo um número limitadode graus de liberdade para equacionar o pro-blema dinâmico da estrutura.

3.1 Equação do movimento – um grau deliberdade

As equações do movimento de qualquersistema dinâmico podem ser obtidas com aaplicação da segunda lei de Newton ou prin-cípio fundamental da dinâmica. A equação2 constitui o ponto de partida para o estudodo comportamento dinâmico de um grau deliberdade da estrutura obtida por meio do es-tudo de uma estrutura constituída de apenasum elemento finito.

m.ü + c. u + k.u = F (t) (2)

onde F(t) é a força externa aplicada ao corpo,variável com o tempo; u é o deslocamento docorpo; k é a constante de rigidez da mola; ü éa primeira derivada do espaço em relação aotempo (velocidade v do corpo); c é o coefici-ente de amortecimento; é a segunda deriva-da do espaço em relação ao tempo (acelera-ção a do corpo) e m, a massa do corpo.

3.2 Equação do movimento – vários grausde liberdade

Segundo Alves Filho (2005), nas estru-turas reais, o analista estrutural se vê diantede um modelo representativo da estruturaconstituído de muitos elementos e, comoconsequência, de muitos componentes dedeslocamentos a determinar. Serão geradasmilhares de equações que traduzem o com-portamento dinâmico dos graus de liberda-de da estrutura. O meio mais eficiente de ar-mazenar essas equações e processá-las é porintermédio de matrizes. Nas estruturas reaisexistem muitos componentes de desloca-mentos nodais, velocidades nodais, acelera-ções nodais e forças nodais. A equação 3 estárepresentada numa “versão matricial” paratodos os graus de liberdade da estrutura.

.

.

Figura 3 – Casulo de uma carroceria de ônibus

22



4.1.2 Chassi

O projeto de um chassi para carroceriade ônibus é desenvolvido com o objetivo deque a carroceria cumpra com as exigênciasde segurança e normas de legislação nacio-nais e internacionais. O chassi é diferencia-do, basicamente, por dois tipos: chassi demotor dianteiro e chassi de motor traseiro. Ochassi de motorização dianteira é mais utili-zado em carrocerias de menor comprimentoe de dimensões de altura menores. A figura4 mostra um chassi de motor dianteiro.

Figura 5 – Suspensão com feixe de molas e amortecedor

5 Forças dinâmicas na carroceria

Quando a carroceria de ônibus está emfase de concepção, os esforços a que será sub-metida devem ser levados em conta. Acarroceria deve suportar todas as forças dinâ-micas que atuam sobre ela quando está emmovimento; sua estrutura deve ser suficiente-mente rígida, para que o eixo das rodas acom-panhe as vibrações transmitidas pela suspen-são e pelo motor. A carroceria deve tolerar esuportar a combinação de forças em todas asdireções. Os esforços atuam principalmente emtrês direções: vertical, longitudinal e transver-sal (SCANIA, 2005).

5.1 Forças verticais

As forças dinâmicas verticais são origi-nárias dos movimentos normais da suspen-são. Forças verticais adicionais que afetamas laterais da carroceria ocorrem quando oônibus transita em curvas.

5.2 Forças longitudinais

As forças longitudinais ocorrem normal-mente quando ocorre frenagem do ônibus etambém quando o ônibus passa por um desní-vel da estrada. O peso do teto cria forças naslaterais da carroceria durante a frenagem, asquais são absorvidas pelos tubos verticais dasjanelas e acabam passando para a estrutura dochassi e para as rodas.

Figura 4 – Chassi de motor dianteiro Fonte: Diretrizes para construção de carrocerias –

Mercedes-Benz

4.1.3 Suspensão

Segundo Morsh (2001), a função estru-tural da suspensão é isolar o veículo das for-ças geradas pelas irregularidades das vias.Os pneus filtram efetivamente os picos demaior frequência, e suspensões macias re-duzem o efeito das componentes de menorfrequência.

O tipo de suspensão usualmente utiliza-do em chassis de carrocerias de ônibus é com-posto de dois eixos rígidos, na parte dianteirae traseira da carroceria. Neste caso a ligaçãodas rodas nas extremidades dos eixos faz comque o comportamento de uma roda interfirano comportamento da outra, diferentementedas suspensões independentes, onde o movi-mento de uma roda não interfere no compor-tamento da outra. A figura 5 ilustra uma sus-pensão composta por feixes de molas e amor-tecedor, um dos tipos de suspensões utiliza-das em carrocerias de ônibus.



5.3 Forças transversais

Quando a carroceria é submetida a cur-vas de velocidades médias a altas, ou são reali-zadas mudanças abruptas de marcha, ocorremos esforços no sentido transversal. A seção doteto é pressionada para fora, impedida pela partede baixo da carroceria, pelos tubos verticais dasjanelas e pelas rodas do chassi. As forças mo-vem-se do assoalho, de dentro para fora, nadireção das extremidades dos montantes dabase.

6 Ligação do casulo com chassi

O casulo da carroceria de ônibus é apoia-do no chassi sobre placas de sustentação colo-cadas ao longo das longarinas. Essas placaspodem ser soldadas ou aparafusadas naslongarinas; dependendo do modelo do chassias placas não podem ser soldadas. A parte in-ferior dos montantes da base é apoiada nessasplacas e, após, soldada. A fim de reforçar ain-da mais a ligação entre a estrutura da carroceriae o chassi, são colocadas placas de amarração,as quais são soldadas nos montantes da base etambém no chassi. A figura 6 mostra o casuloacoplado com um chassi do tipo 4x2, com oposicionamento das placas de amarração e sus-tentação visto nos detalhes.

7 Poltrona de carrocerias de ônibus

A estrutura da poltrona é fixada ao chassicom parafusos por meio de um trilho longitudi-nal soldado ao longo da estrutura da base e apoi-ada numa chapa perfilada também soldada lon-gitudinalmente nas estruturas laterais. Uma pol-trona é basicamente constituída de seis partes, quesão: estrutura soldada, acabamento lateral, encostopara o braço, manípulo de acionamento, encostolombar e assento inferior. A figura 7 mostra o cortetransversal de uma carroceria de ônibus mostran-do os pontos de fixação da poltrona.

A transferência das vibrações oriundas daestrada em que o ônibus transita passa pela sus-pensão do chassi e chega até o casulo, que estáligado diretamente a ele, chegando até a poltro-na que acomoda o passageiro. O entendimentode como se dá a transferência das vibrações nacarroceria também é de vital importância, poisao propor uma mudança de projeto a tarefa deverificar onde se devem realizar mudanças queamenizem tais efeitos ficará mais fácil.

Figura 6 – Casulo acoplado ao chassi com placas deamarração e sustentação

Figura 7 – Corte transversal de uma carroceria de ônibus

8 Procedimento experimental

Com objetivo de avaliar os níveis de vi-bração a que estão sujeitos os passageiros que

Placa de amarração Placa de sustentação

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especificamente nas poltronas ao lado da ja-nela e do lado direito. A figura 8 mostra oslocais de realização das medições.

viajam em ônibus rodoviários intermunicipais,foram realizadas medições com a carroceriaem movimento. Foram realizadas mediçõessimultaneamente em estradas com trechos embom estado e com trechos irregulares numalinha regular de transporte, em duas carroceriasde motorização traseira, de dois fabricantesdiferentes de carroceria de ônibus.

8.1 Definição das rotas utilizadas

A definição das rotas para as mediçõesfoi realizada, dando preferência a uma estra-da que tivesse como piso asfalto irregular etambém asfalto em bom estado, para avaliarem todas as condições a que as carrocerias eos passageiros estão submetidos. Levou-seem conta, também, as rotas utilizadas pelaempresa que autorizou a realização das me-dições experimentais, desta maneira foi pos-sível realizar os ensaios com o mesmo traje-to percorrido pelos passageiros em uma via-gem normal.

Os ensaios foram realizados utilizandoa rota entre a cidade de Passo Fundo e a ci-dade de Cruz Alta, na parte central do Esta-do do RS. Foram efetuadas medições em lo-cais onde o asfalto estava em boas condi-ções, em condições regulares e também emcondições precárias. A classificação utiliza-da para os tipos de asfalto são, respectiva-mente, asfalto em bom estado, asfalto emestado regular e asfalto irregular.

8.2 Metodologia utilizada

A realização dos ensaios foi executadaem três locais no interior da carroceria: naparte frontal, central e traseira. Foram fixa-dos microacelerômetros em dois pontos dapoltrona (assento e encosto) e no assoalhoda carroceria. Os ensaios foram realizadossimultaneamente nos três locais com objeti-vo de verificar os pontos de maior vibraçãotransmitida ao passageiro, independentemen-te do posicionamento das poltronas em rela-ção à suspensão e o motor. Foram utilizadostrês passageiros de estatura e peso media-nos, em cada ponto do interior da carroceria,

Figura 8 – Locais do interior da carroceria

Para realizar as medições, foram fixa-dos micro acelerômetros nas seguintes posi-ções do passageiro/carroceria, conforme es-tabelecido pela norma ISO 2631-1 (1997):- Assento de apoio para as costas(acelerômetro nas direções X e Z);- Assento de apoio para as pernas (direção Z);- Assoalho (direção Z)

A figura 9a mostra a localização apro-ximada da colocação dos acelerômetros juntoao passageiro e à poltrona no interior dacarroceria, a figura 9b mostra as direções demedição para cada acelerômetro montado.

8.3 Equipamentos utilizados

Como o ensaio foi realizado simultanea-mente em três pontos do interior da carroceria,os equipamentos utilizados foram: 9 microace-lerômetros modelo ADXL 321, 3 placas deaquisição DA/USB (Computerboards, 4 canais)e 3 computadores portáteis (Duo 1.8, 1024RAM).

8.3.1 Programa de aquisição e tratamentode dados

A coleta do sinal vindo dos acelerôme-tros foi feita com um programa desenvolvidono software VEE Pro 7.5, onde cada eixo doacelerômetro utiliza um canal da placa e,posteriormente, são gravados arquivos biná-rios em extensão *.dat para cada canal, paraposterior tratamento dos dados. A faixa detensão utilizada é de ±5V.

O programa de tratamento dos dados quecompara o sinal medido com as curvas limitesestabelecidas pela norma ISO 2631 foi desen-



eVDV, etc. O programa representa de formagráfica os dados adquiridos comparando comas curvas limite da norma ISO 2631, que ser-vem para avaliação do(s) efeito(s) da vibraçãomedida com relação à saúde, ao conforto e aodesempenho no trabalho. A figura 10 mostra ajanela de interação do programa de tratamentode dados com o usuário.

a) Localização dos acelerômetros

b) Direções de medição

Figura 10 – Tela programa de tratamento de dados

8.4 Resultados

Os resultados médios obtidos durante osensaios relacionam a aceleração ponderadamédia com os limites para saúde, conforto efadiga (conforme especifica a norma ISO2631), comparando os dois tipos de carroceriaensaiados. Os gráficos estão relacionados aotipo de estrada, citados anteriormente.

Os gráficos mostrados nas figuras 11 a13 mostram as avaliações realizadas para saú-de e conforto na parte frontal das carrocerias,no assoalho e com o ônibus parado. Os gráfi-cos relacionam Frequência (Hz) e Aceleraçãoponderada (m/s2). Os gráficos comparam asduas carrocerias ensaiadas nesta situação.

Figura 9 – Localização dos acelerômetros e direções demedição

volvido por Balbinot (2001). O programa é di-vidido em duas etapas principais: rotinas deprocessamento básicas (FFT, r.m.s., média, des-vio padrão, etc.) e rotinas de avaliação dos ní-veis de vibração do corpo humano (vibraçõesde corpo inteiro). O arquivo gerado para cadacanal pela rotina de aquisição é lido por esseprograma, passa pelo processo de filtragem eapós pela ponderação, segundo as funçõesfornecidas pela norma ISO 2631-1 (1997).Após este processo se obtêm os parâmetros es-tatísticos como média, desvio padrão, VDV e

Figura 11 – Saúde e conforto: medição frontal, assoalho,ônibus parado

Acelerômetro 1Costas

Acelerômetro 2Interface

assento/pessoa

Acelerômetro 3Assoalho

Conforto 2.5 h

Conforto 4 h

Conforto 8 h

Saúde 2.5 h

Saúde 4 h

Saúde 8 h

Carroceria 1

Carroceria 2

Ace

lera

ção

pond

erad

a (m

/s2 )

Frequência (Hz)

26



Figura 12 – Saúde e conforto: medição frontal, assento,ônibus parado

no assento da poltrona. Os trabalhos deGriffin (1990) e Ishitake (2000) mostramque, na faixa de frequência de 1 a 30Hz, aspessoas apresentam dificuldade para manterpostura e reflexos. Esses autores também re-gistram a grande incidência de problemas naregião das costas, provenientes de efeitosvibratórios.

As figuras 14 a 16 apresentam os resul-tados médios obtidos durante os ensaios, re-lacionando a aceleração ponderada médiacom os limites para fadiga (conforme espe-cificado na norma ISO 2631), comparandoos dois tipos de carroceria ensaiados. Os grá-ficos estão relacionados aos mesmos tiposde estradas citados anteriormente e tambémcom os ônibus parados com motor ligado.

Do mesmo modo que as análises emrelação à saúde e ao conforto, foram realiza-das avaliações na parte central e traseira dacarroceria, e em asfalto bom estado, regulare irregular, totalizando 36 medições.

Figura 13 – Saúde e conforto: medição frontal, encosto,ônibus parado

Foram realizadas também medições naparte central e traseira da carroceria, e emasfalto bom estado, regular e irregular, tota-lizando 36 medições.

Verificou-se que os limites definidospela norma ISO 2631 com relação ao con-forto (exposição de 2,5, 4 e 8 horas) foramexcedidos em todas as faixas de frequência,em todos os tipos de asfalto ensaiados, nasduas carrocerias simultaneamente e em to-dos os locais no interior da mesma (assoalho,assento e encosto), inclusive com a carroceriasem movimento. A exposição acima de 2,5horas foi excedida nas faixas de frequênciade 4 a 40 Hz, a partir dessas faixas o tempode exposição que apresenta problemas é de4 horas a 8 horas.

Com relação à saúde, as duas carroceriasapresentam acelerações que ultrapassam oslimites de exposição estabelecidos pela nor-ma para um tempo igual ou superior a 8 ho-ras. As acelerações para esse caso ficam emfaixas menores de frequência (de 4 a 8 Hz),não tendo distinção entre as partes ensaia-das, ou seja, ocorre tanto no assoalho como

Figura 14 – Fadiga: medição frontal, assoalho, ônibusparado

Figura 15 – Fadiga: medição frontal, assento, ônibusparado

Verificou-se que os limites definidospela norma ISO 2631 com relação à fadiga(exposição de 2,5 horas) tiveram poucos re-

Frequência (Hz)

Ace

lera

ção

pond

erad

a (m

/s2 )

Conforto 2.5 h

Conforto 4 h

Conforto 8 h

Saúde 2.5 h

Saúde 4 h

Saúde 8 h

Carroceria 1

Carroceria 2

Conforto 2.5 h

Conforto 4 h

Conforto 8 h

Saúde 2.5 h

Saúde 4 h

Saúde 8 h

Carroceria 1

Carroceria 2

Ace

lera

ção

pond

erad

a (m

/s2 )

Frequência (Hz)

Ace

lera

ção

pond

erad

a (m

/s2 )

Fadiga 2.5 h

Fadiga 4 h

Fadiga 8 h

Carroceria 1

Carroceria 2

Frequência (Hz)

Frequência (Hz)

Ace

lera

ção

pond

erad

a (m

/s2 )

Fadiga 2.5 h

Fadiga 4 h

Fadiga 8 h

Carroceria 1

Carroceria 2



sultados excedentes, os pontos que excede-ram ficaram em faixas de frequência de 4 a8 Hz. Acima de 8 Hz, todos os ensaiosapresentaram valores que podem ocasionarfadiga ao passageiro, tanto no tempo de 4 hcomo no de 8 h de exposição. Como nosensaios de conforto e saúde, os ensaios queapresentaram problemas foram excedidos emtodos os tipos de asfalto ensaiados, nas duascarrocerias e em todos os locais no interiorda mesma (assoalho, assento e encosto), in-clusive com a carroceria sem movimento.

Os gráficos apresentados nas figuras 17e 18 mostram, de forma comparativa, o com-portamento do VDV 4 horas médio para ostipos de asfalto ensaiados, comparando asduas carrocerias na parte dianteira das mes-mas, avaliando o assoalho e o assento. Tam-bém foram analisados os VDVs da parte cen-tral e traseira.

“desconforto mínimo”, de acordo com osdados das normas BS 6841 e ISO 2631. Emtodos os casos os VDV’s são maiores noassoalho da carroceria do que no assento dapoltrona. Fica evidenciado através dos resul-tados, para as duas carrocerias, que confor-me diminui a qualidade do asfalto, aumentao índice VDV.

Os maiores valores de acelerações en-contrados nas poltronas foram na carroceria1 (parte traseira), mesmo esta tendo meno-res valores de aceleração no assoalho. Os re-sultados das medições experimentais apre-sentados mostram claramente que os níveisvibratórios a que os passageiros de ônibusestão submetidos ultrapassam os limites es-tabelecidos pela norma ISO 2631 em rela-ção ao conforto, e com relação à saúde asduas carrocerias ensaiadas apresentaram ace-lerações que ultrapassaram os limites de ex-posição para um tempo igual ou superior a 8horas.

9 Modificação projetual da carroceria

9.1 Modelo básico utilizado

Para entender como se realizará a aná-lise numérica pode-se visualizar a carroceriapor meio de um modelo de meio veículo (Fi-gura 19), no qual são considerados os movi-mentos de translação da suspensão dianteirae traseira na direção vertical e o movimentoem direções translacionais e rotacionais nostrês eixos para a massa da estrutura dacarroceria.

Figura 16 – Fadiga: medição frontal, encosto, ônibusparado

Figura 17 – VDV frente carroceria - assoalho

Com relação ao parâmetro VDV 4 ho-ras, nenhuma carroceria em nenhum tipo deasfalto apresentou um valor de dose de vi-bração no valor de 15 m/s1,75; a faixa apre-sentada ficou em torno de 6,29 a 8,17 m/s1,75, o que estaria no intervalo considerado

Figura 18 – VDV frente carroceria – assento

Fadiga 2.5 h

Fadiga 4 h

Fadiga 8 h

Carroceria 1

Carroceria 2

Ace

lera

ção

pond

erad

a (m

/s2 )

Frequência (Hz)

Tipo de asfalto

Carroceria 1

Carroceria 2

VD

V 4

hor

as (

m/s

2 )

Frente – Assoalho

Tipo de asfalto

Carroceria 1

Carroceria 2

VD

V 4

hor

as (

m/s

2 )

Frente – Assoalho

28



Figura 19 – Representação do modelo de meio veículo

9.2 Modelamento da carroceria

Como passo anterior à análise por ele-mentos finitos da carroceria foi realizado omodelamento tridimensional completo damesma. O modelamento realizado da carro-ceria é apresentado na figura 20. Nesta mon-tagem foram acrescidos itens como assoalho,trilho de fixação e chapa de apoio da poltro-na, os estabilizadores dianteiros, rodas, sus-pensão e pneus.

Figura 21 – Modelo numérico da carroceria

9.4 Modelo teórico da suspensão

A suspensão utilizada foi do tipo feixe demolas com a calibração do modelo numéricorealizada com resultados experimentais. Ospneus foram considerados através de elemen-tos de mola e amortecedor, com valores de k ec fornecidos pelo fabricante. O sinal das irre-gularidades do pavimento é aplicado direta-mente nos pneus.

9.5 Determinação e descrição das irregula-ridades do pavimento

Para excitar o modelo numérico do pre-sente trabalho foram usados os dados obtidospor Nardello (2005) em frequência espacialpassando para o domínio do tempo, estes ca-racterizados como sinais ergódicos, ajustan-do com as mesmas velocidades de tráfego re-alizadas nos ensaios anteriores. A figura 22mostra o perfil de rugosidade de um asfaltoem bom estado em frequência espacial.

Figura 20 – Modelamento completo da carroceria

9.3 Modelo numérico da carroceria

Para facilitar e reduzir o tempo deprocessamento dos dados numéricos, optou-se por utilizar na simulação dinâmica um mo-delo com elementos de barra, atribuindo paratodos os elementos seções conforme as dife-rentes partes da carroceria. O modelo possui5500 nós e 2500 elementos com opção de for-mulação Hughes_Liu, com integração da se-ção transversal. A figura 21 mostra o modeloda carroceria gerado no software de pós-processamento.

Figura 22 – Perfil de rugosidade de asfalto em bom estado

10 Simulação dinâmica

10.1Suspensão

Para representar a suspensão do mode-lo numérico utilizou-se a validação numéricaobtida por Peres (2006), que apresentou um

Pista com perfil

harmônico

Carroceria

Deslocamento (m)

Am

plitu

de (m

)



os dois elementos centrais, os dois elemen-tos das pontas são flexíveis e interligados noeixo da carroceria e chassi, respectivamen-te. Assim, os efeitos originados pelo deslo-camento dos pavimentos passarão pelospneus, sendo transferidos para o eixo e, após,amortecidos pelas juntas e transmitidos paraa estrutura do casulo e poltrona. A figura 24ilustra a representação da junta translacionaldo modelo numérico.

procedimento experimental e numérico paravalidação de uma suspensão de feixes demolas trapezoidais.

No estudo, Peres realizou medições nofeixe de molas variando a magnitude da car-ga e a velocidade de aplicação. A rigidez damola é obtida através da função que repre-senta a curva de carga; o amortecimento éobtido pela diferença entre as curvas de car-ga e descarga, ou seja, pela histerese do sis-tema (PERES, 2006). A figura 23 mostra osvalores de carga e descarga para o ensaiorealizado.

Figura 23 – Força aplicada em função do deslocamentoFonte: Peres, 2006

A suspensão da carroceria estudada pos-sui quatro feixes de molas; assim, o modelonumérico deve contemplar o comportamen-to desses feixes quanto à aplicação de car-gas no sentido vertical. Para representar ofeixe de molas numericamente, optou-se porelaborar um modelo simplificado, de fácilconstrução, que representasse o comporta-mento complexo desse tipo de suspensão.

Para modelagem numérica da suspensão,utilizou-se a metodologia baseada em sistemasmulticorpo. Segundo Ambrósio (2001), um sis-tema multicorpo é uma coleção de corpos rígi-dos ou flexíveis conectados por juntascinemáticas (esféricas, translacionais). Estrutu-ras podem comportar-se como sistemasmulticorpo devido a grandes rotações ou por-que desenvolvem mecanismos de deformaçãodefinidos. A metodologia montada por Ambró-sio propõe-se a montar elementos rígidos uni-dos através de juntas.

A junta translacional consiste de quatroelementos; os elementos rígidos da junta são

Figura 24 – Representação numérica da suspensão e pneus

10.2 Validação do modelo numérico

Com o objetivo de validar o modelonumérico proposto, foi realizado um ensaioexperimental com a carroceria de ônibus emmovimento para obter as frequências da es-trutura através da medição das aceleraçõesnas direções longitudinal (x), transversal (z)e vertical (y), para comparar com os modosnaturais de vibração do modelo numérico. Afigura 25 mostra o local de instalação dosacelerômetros na parte traseira da carroceria;a figura também mostra os eixos de referên-cia das medições realizadas.

Figura 25 – Local de fixação dos microacelerômetros

Juntatranslacional

Entrada do sinal

Mola/amortecedor

Deslocamento (m)

Forç

a (N

)

30



A figura 26 mostra graficamente a com-paração entre os resultados experimentais eos modos naturais de vibração do modelonumérico para os cinco primeiros modos. Osresultados demonstram boa concordânciaentre as medições realizadas, comparandocom os modos naturais de vibração do mo-delo numérico. As diferenças percentuaisentre os resultados são pequenas, assim, es-sas comparações demonstram que o modelonumérico representa com boa precisão o ve-ículo real, podendo ser utilizado nas simula-ções dinâmicas.

A avaliação dos resultados foi feita ve-rificando as acelerações verticais produzidasnum ponto na estrutura da poltrona. Inicial-mente, a análise foi realizada no modelo dacarroceria “original” e, após, foram realiza-das propostas de modificação. A figura 27mostra o local de saída dos resultados da aná-lise dinâmica.

Figura 27 – Local de saída de dados na análise dinâmica

A figura 28 mostra as acelerações domodelo numérico obtidas no domínio do tem-po; a figura 29, no domínio da frequência,tendo como deslocamento aplicado asfaltoem bom estado com velocidade de 80 km/h.Também foram realizadas análises para osoutros tipos de asfalto.

Figura 26 – Comparação entre resultado experimental enumérico

10.3 Análise dinâmica

Na análise dinâmica, foi usado o méto-do de integração implícita de Newmark, noqual a matriz de rigidez é invertida e aplica-da aos nós para se obter um incremento dedeslocamento. A grande vantagem em utili-zar este método é que o passo de tempo podeser selecionado pelo usuário de acordo comsua necessidade; a desvantagem é o granderecurso computacional necessário para for-mar e inverter a matriz de rigidez nos cálcu-los numéricos.

O tempo utilizado para a análise foi de3,2 segundos, mesmo tempo dos perfis depista aplicados ao modelo. O passo de tem-po configurado foi de 1x10-6 segundos e ataxa de frequência dos resultados, de 100 Hz.O perfil de rugosidade no domínio do tempofoi introduzido no eixo dianteiro e no eixotraseiro como um movimento de translaçãona direção vertical (eixo Y).

Figura 28 – Aceleração vertical estrutura poltrona, asfaltobom estado

Figura 29 – Aceleração domínio frequência estruturapoltrona, asfalto bom estado

10.4 Modificação projetual

A proposta de modificação projetualconsiste, basicamente, em acrescer ao mo-

Tempo (s)

Ace

lera

ção

(m/s

2 )

Frequência (Hz)

a (m

/s2 )

Modos naturais de vibração

Fre

quên

cia

(Hz)



delo numérico um material isolador de vi-bração, de baixa espessura entre os elemen-tos de contato da poltrona com a carroceria,ou seja, entre o apoio lateral da estrutura dapoltrona e a chapa longitudinal lateral e, tam-bém, entre a peça inferior do pé da poltronae o trilho de fixação. Afigura 30 mostra oslocais onde os materiais foram acrescidos.

Figura 30 – Elementos isoladores de vibração

A tabela 3 mostra as acelerações médiasobtidas numericamente na estrutura da poltro-na, para a carroceria original e para os diferen-tes materiais isolantes aplicados ao modelonumérico.

Os valores mostram que os dois materiaisde borracha aplicados no modelo modificadoatenuam satisfatoriamente os efeitos vibratóriosna estrutura da poltrona, em torno de 35% emrelação à estrutura sem modificações. Os ma-

teriais mais rígidos não apresentam um com-portamento adequado, inclusive aumentam asacelerações produzidas sob a estrutura da pol-trona, portanto, não são recomendados.

A proposta de modificação pode ser adap-tada na montagem da estrutura da poltrona nacarroceria, colocando o elemento intermediá-rio entre o apoio lateral da estrutura da poltro-na e a chapa de apoio lateral da estrutura late-ral do casulo, e entre o pé da estrutura da pol-trona e o trilho de fixação da base da carroceria.

11 Conclusões

Os resultados obtidos com mediçõesexperimentais mostram que os níveisvibratórios a que os passageiros de ônibusestão submetidos ultrapassam os limites es-tabelecidos pela Norma ISO 2631 em rela-ção ao conforto. Com relação à saúde, as duascarrocerias ensaiadas apresentaram acelera-ções que ultrapassaram os limites de exposi-ção para um tempo igual ou superior a 8 ho-ras. A verificação do parâmetro VDV apontaque as carrocerias apresentam valores de dosede vibração que ficam na faixa “desconfortomínimo” para um intervalo de 4 horas deexposição. Os resultados obtidos reforçam anecessidade de modificações no projeto paraatenuar os efeitos vibratórios na estrutura dapoltrona.

O modelo numérico foi desenvolvido demaneira fiel ao projeto de uma carroceria que

Tabela 3 – Resultados análise dinâmica

Aceleração média (m/s2)

Local Asfalto em Redução(%) Asfalto Redução(%)bom estado irregular

Carroceria original 1,7716 —- 2,0087 —-

Material borracha 1,0917 38,37 1,3169 34,44

Material borracha 1,0909 38,42 1,3170 34,43sintética

Material ABS 2,4309 —- 2,6000 —-

Material PVC rígido 2,3764 —- 2,5492 —-

32



ainda está em utilização, mesma geometriade uma das carrocerias ensaiadas. A magni-tude das acelerações verticais obtidas nume-ricamente não pode ser comparada direta-mente com as obtidas experimentalmente,porque no modelo numérico não foram le-vados em consideração alguns elementos quecompõem a carroceria, como a madeira doassoalho, a espuma do assento, peças de aca-bamento, entre outros.

A validação do modelo numérico coma comparação dos modos naturais de vibra-ção medidos experimentalmente demonstrouque o modelo numérico representa com boaprecisão o modelo real, validando o resulta-do das simulações dinâmicas realizadas.

Através deste trabalho, cumpriu-se opropósito de avaliar os níveis de vibração aque os passageiros que utilizam ônibus ro-doviários em viagens de média e longa dis-tância estão submetidos e apresentar umaproposta de modificação para o projeto dacarroceria. O modelo numérico desenvolvi-do pode ser facilmente adaptado para outrasconfigurações de propostas de modificaçãodo conjunto carroceria/poltrona. Salienta-seque este estudo mostra que os possíveis be-nefícios gerados para a sociedade com aimplementação de melhorias no projeto dacarroceria dos ônibus de forma a amenizaros efeitos vibratórios que chegam aos passa-geiros seriam muito significativos.

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