trabalho mestrado-suspensão01

PONTIFCIA UNIVERSIDADE CATLICA DE MINAS GERAIS PR-REITORIA DE PESQUISA E PS-GRADUAO MESTRADO EM ENGENHARIA MECNICA

PROF.: Dr. Clovis Sperb de Barcellos

Estudo do Comportamento Dinmico de um Veculo de Passageiros em Manobras de Handling

ALUNO: Luiz Fernando B. Mximo

minha esposa Jacqueline e aos meus filhos Rodrigo e Carolina, pela inspirao e apoio.

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AGRADECIMENTOSAo Prof. Dr. Clovis Sperb de Barcellos pela orientao deste trabalho e a disponibilidade ao longo do curso; Ao Prof. Dr. Marcelo Becker pela contribuio na reviso do texto; Fiat Automveis S.A. e ao setor de Experimentao de Veculos; Ao Eng. Marco Fbio Inglese; FIEMG / SENAI; Aos professores do curso de Mestrado que contriburam para a minha formao; Ao Eng. Yuri Augusto Ribeiro Garcia; Aos colegas e funcionrios do mestrado.

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RESUMOO presente trabalho de pesquisa tem como objetivos o estudo e a compreenso dos fenmenos reais e fsicos associados ao comportamento dinmico de um automvel em marcha, relacionando a movimentao do veculo e suas reaes durante a realizao de manobras de mudana de direo com o esteramento do volante, em funo da alterao das caractersticas tcnicas de componentes isolados e agrupados. O trabalho composto de trs etapas. Na primeira, feita uma reviso bibliogrfica na qual so estudadas as caractersticas tcnicas e influncia dos componentes e sistemas de suspenses dianteira e traseira, direo e pneus. Na segunda esto descritos as caractersticas da instrumentao utilizada nos testes experimentais em pista plana de asfalto a velocidades constantes, os procedimentos experimentais, bem como os resultados analticos e grficos das provas com os vrios componentes. Na terceira etapa e como objetivo final, feita a anlise conjunta dos resultados das provas de modo a conhecer as tendncias de comportamento durante manobras de handling, confrontando tambm os dados encontrados com aqueles disponveis na literatura tcnica. Com estes dados pode-se escolher com mais facilidade os componentes que devem ser alterados para se obter um melhor desempenho dinmico.

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ABSTRACT

The objectives of the research were the comprehension of the real and physical phenomena associated with the dynamic behavior of a moving passenger vehicle, and its effects on handling qualities, data acquisition and analysis of car mobility data, the practical training with instrumentation and, finally, make a tendency analysis of the handling behavior on a ride test, based on a modification of the mechanical characteristics of suspension components. The work was comprised of a theoretical study phase, an experimental acquisition, and analysis of handling. First, the theoretical study was based on a literature review concerning suspension, steering systems, and tires. During the experimental work acquisition data was performed changing the characteristics of springs, anti-roll bars (stabilizer), and shock absorbers. To reach the final objective, the individual responses of changing parts was analysed. The resulting analysis is important to reduce the development time on the final ride and handling tests, and show the main points that must be change to obtain the best dynamic performance on handling maneuvers.

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SUMRIOPg Lista de figuras ............................................................................................ Lista de tabelas ............................................................................................. Nomenclatura ................................................................................................ Abreviaturas .................................................................................................. Captulo 1 - INTRODUO .......................................................................... 1 x xv xvi xxi

1.1 Generalidades ............................................................................. 1 1.2 Handling e Conforto ..................................................................... 1.3 Objetivos e Escopo ..................................................................... Captulo 2 - REVISO BIBLIOGRFICA ...................................................... 2.1 Sistemas de Suspenso .............................................................. 2.1.1 Suspenso Dianteira MacPherson .................................. 2.1.2 Suspenso Traseira de Braos Long. e Travessa ........... 2.1.3 Molas ............................................................................... 2.1.4 Amortecedores Telescpicos .......................................... 2.1.5 Barras Estabilizadoras ..................................................... 2.1.6 Batentes de Fim de Curso ............................................... 2.2 Sistemas de direo ................................................................... 2.2.1 Generalidades ................................................................. 2.3 Pneus .......................................................................................... 2.3.1 Introduo ........................................................................ 2.3.2 Construo ...................................................................... 2 4 6 6 7 10 14 16 19 21 23 23 26 26 31

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2.4 Cinemtica das Suspenses ...................................................... 2.4.1 Introduo ........................................................................ 2.4.2 Caractersticas dos Eixos ................................................ 2.4.3 Efeitos Anti-mergulho e Anti-Levantamento .................... 2.5 Comportamento em Manobras e Curvas .................................... 2.5.1 Introduo ........................................................................ 2.5.2 Geometria de Ackerman .................................................. 2.5.3 Comportamento em Altas Velocidades ........................... 2.5.4 Efeitos da Suspenso sobre a Resposta em Curvas ...... 2.5.5 Mtodo Experimental de Medio de Sub-estero ........... 2.6 Avaliao Dinmica de Comportamento .................................... 2.6.1 Relao Veculo / Motorista e Testes .............................. 2.6.2 Respostas a Perturbaes Constantes ........................... 2.6.3 Respostas a Perturbaes Variveis ............................... Captulo 3 - METODOLOGIA DAS PROVAS ........................................... 3.1 Instrumentos Utilizados .............................................................. 3.1.1 Correvit ............................................................................ 3.1.2 Volante Dinamomtrico ................................................... 3.1.3 Acelermetros .................................................................. 3.1.4 Transdutores de Curso ..................................................... 3.1.5 Sistema de Aquisio e Armazenamento de Dados ....... 3.1.6 Computador e Software ................................................... 3.2 Parmetros Analisados nas Aquisies de Dados ..................... 3.2.1 Parmetros de Controle ....................................................vii

33 33 33 48 49 49 49 51 59 65 67 67 68 69 73 73 73 76 77 78 81 82 82 82

3.2.2 Parmetros de Resultados .............................................. 3.3 Diagrama do Aparato Experimental ........................................... Captulo 4 DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL .............................. 4.1 Controle do Veculo e Manobras ................................................ 4.2 Procedimentos Experimentais e Simplificaes .......................... 4.3 Componentes Substitudos ......................................................... 4.3.1 Curvas dos Amortecedores de Testes ............................ 4.4 Levantamento Experimental dos ngulos do Volante e Rodas. .. 4.5 Levantamento Exp. da Variao de Convergncia Dianteira Captulo 5 - RESULTADOS E DISCUSSES .......................................... 5.1 Grficos de Controle das Manobras ........................................... 5.1.1 Controle do ngulo de Volante e Veloc. longitudinal ....... 5.1.2 Controle da Velocidade de giro do Volante e Ac. Vertical 5.2 Resultados das Provas a 60 e 120 Km/h .................................. 5.2.1 Anlise de Resultados das Molas .......... 5.2.2 Anlise de Resultados das Barras Estabilizadoras ......... 5.2.3 Anlise de resultados dos Amortecedores ...................... 5.3 Avaliao Global dos resultados ................................................ Captulo 6 CONCLUSES ....................................................................... 6.1 Anlise de Comportamento do handling ..................................... 6.2 Sugestes para trabalhos futuros ............................................... Referncias bibliogrficas ........................................................................... Apndice A Clculo do Centro de Gravidade e Massa .......................... Apndice B Geometria das suspenses para Efeitos Anti ................viii

82 83 84 84 86 88 89 90 91 93 93 93 94 95 95 100 104 108 111 111 113 116 119 122

B.1 Geometria das Suspenses para 100% Anti-Mergulho ........... B.2 ngulos de Geometria do Veculo de Testes ............................. B.3 Efeito Anti-Levantamento da Suspenso Dianteira .................... B.4 Efeito Anti-Abaixamento da Suspenso Traseira ....................... Apndice C Frequncias Naturais das Suspenses .............................. C.1 Caractersticas de Amortecimento ............................................. C.2 Caractersticas do Veculo de Testes ........................................ C.2.1 Frequncia natural no amortecida da suspenso ......... Apndice D Equipamento para Testes e Medio Dinmica ................. D.1 Sensores de Medio de Movimento e Atitudes ........................ Apndice E Grficos Completos de Referncia ..................................... Anexo A Tabela com Dados de ngulo Volante e ngulo das Rodas. .

122 122 124 125 126 126 128 130 132 132 134 137

Anexo B Tabela com Dados Registrados em Prova a 60 Km/h ............ 138

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LISTA DE FIGURASPg. Figura 1.1 Sistema de eixos coordenados do veculo conforme ISO 4130 e DIN 70000. ........................................................................... Figura 2.1 Figura 2.2 Esquema simplificado de uma suspenso de veculo. ............. Fixao superior da suspenso dianteira McPherson. O rolamento permite o movimento de rotao, enquanto a borracha absorve impactos e filtra vibraes. .......................... Vista em corte de uma suspenso dianteira McPherson, dotada de eixo motriz. .............................................................. Esquema de foras atuantes na suspenso. ........................... Conjunto da suspenso traseira com braos combinados e barra transversal ou travessa. Detalhe da bucha de borracha montada na articulao de fixao no chassis. ........................ Sob influncia de esforos laterais, o eixo traseiro pode assumir um ngulo r, provocando sobre-estero. ............. Configuraes de posicionamento da travessa na suspenso traseira. .................................................................................... Exemplo de curvas de amortecedores. .................................... Desenho esquemtico do princpio de funcionamento do amortecedor de duplo tubo:. .................................................... 4 7

8

Figura 2.3

9 10

Figura 2.4 Figura 2.5

11

Figura 2.6

12

Figura 2.7

13 17

Figura 2.8 Figura 2.9

19

Figura 2.10 Barra estabilizadora montada sobre uma suspenso dianteira McPherson. ............................................................................ Figura 2.11 Detalhe construtivo e curva de um batente de elastmero com funo de mola suplementar. ...................................................

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22

x

Figura 2.12 Geometria bsica para a realizao de curvas proposta por Ackerman. ................................................................................ Figura 2.13 Esquema de funcionamento do sistema de direo. 3- braos da direo esquerdo e direitos; 7- terminais esfricos de ligao do tirante da caixa ao brao; 8- caixa de direo do tipo pinho e cremalheira. ........................................................ Figura 2.14 Esquema dos componentes do sistema de direo hidrulica. Figura 2.15 Construo dos trs principais tipos de pneus empregados atualmente. ............................................................................... Figura 2.16 Deformao na regio de contato durante uma frenagem. ...... Figura 2.17 Deformao do pneu sob atuao de fora lateral. ................. Figura 2.18 Pneu radial e principais componentes. .................................... Figura 2.19 Modelo mecnico do comportamento da borracha do pneu dependente da Frequncia. ..................................................... Figura 2.20 Representao esquemtica do passo do veculo L, e das bitola dianteiras e traseiras tf e tr. ............................................ Figura 2.21 Definies dos centros e eixo de rolamento. ........................... Figura 2.22 Alturas do centro de rolamento hr de suspenso MacPherson em duas bitolas de comprimentos diferentes. .......................... Figura 2.23 Alturas do centro de rolamento hr de suspenso traseira com braos longitudinais e travessa. ............................................... Figura 2.24 ngulo de camber em relao a terra. Convencionado positivo quando a parte superior do plano da roda est para fora da linha vertical. ............................................................................ Figura 2.25 Estudos mostram que camber positivo entre 5 e 10, proporcionam maior durabilidade do pneu. Valores positivos aceleram desgaste do lado externo, e negativos do lado interno. .....................................................................................

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24 25

27 28 29 30

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34 36

36

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39

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Figura 2.26 Curva de variao do ngulo de camber das rodas dianteiras de veculos com suspenso MacPherson ( BMW ), e o de duplo leque do Honda Accord. ................................................. Figura 2.27 A convergncia total das rodas a diferena entre as medidas b e c. Tambm pode ser identificada pelo ngulo da roda. ..... Figura 2.28 A resistncia ao rolamento provoca uma fora longitudinal FR, em sentido contrrio ao movimento e efeito divergente. .......... Figura 2.29 Nos veculos de trao dianteira, a fora de trao provoca aumento de convergncia. ....................................................... Figura 2.30 Variao de convergncia das rodas dianteiras de um veculo GM Corsa, em funo do curso da suspenso. Verifica-se a caracterstica de sub-estero em roll. ...................................... Figura 2.31 Alterao de convergncia das rodas traseiras para reduzir sobre-estero. Em desaceleraes ou curvas, sob efeito de cargas laterais, a roda externa aumenta a convergncia e a interna diminui. ......................................................................... Figura 2.32 Representao do ngulo de caster, e caster terra cinemtico representado pelo segmento de reta KN projetada no solo. ..................................................................................... Figura 2.33 Influncia do ngulo de caster no torque de auto-alinhamento durante a realizao de curvas. ............................................... Figura 2.34 Quando o veculo est carregado, a traseira se abaixa mudando a inclinao da dianteira. O ngulo de caster aumenta do mesmo valor de . .............................................. Figura 2.35 Suspenso MacPherson mostrando o aumento do ngulo de caster de em funo da compresso da suspenso. .......... Figura 2.36 Geometria de Ackerman para realizao de curvas. ............... Figura 2.37 Variao dos ngulos de esteramento com o sistema de braos em forma trapezoidal. ................................................... Figura 2.38 Propriedades das foras dos pneus em curva. ........................

40

41

41

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45

46

47

47 50

51 52

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Figura 2.39 Modelo de duas rodas para representao de curvas. ............ Figura 2.40 Variao dos ngulos de esteramento em funo da velocidade. ............................................................................... Figura 2.41 Ganho da velocidade de rotao (Yaw velocity) em funo da velocidade. ............................................................................... Figura 2.42 Linha representativa do esteramento neutro no veculo. ....... Figura 2.43 Anlise de foras em veculo simplificado durante a curva. ..... Figura 2.44 Alterao de camber em curva de um veculo. ........................ Figura 2.45 Exemplo genrico do gradiente de sub-estero em raio constante. ................................................................................. Figura 2.46 Movimentos possveis aps um deslocamento. ....................... Figura 2.47 Relao de amplificao em funo da relao de frequncias. .............................................................................. Figura 2.48 Velocidade de rotao r em funo do tempo para comandos do volante . ............................................................................... Figura 3.1 Figura 3.2 Figura 3.3 Figura 3.4 Desenho esquemtico do sensor tico V1. .............................. Esquema do princpio fsico utilizado pelo sensor V1. ............. Lmpada V1 do Correvit instalada na traseira do veculo. ....... Foto com detalhe do volante dinamomtrico instalado no veculo. ..................................................................................... Diagrama de bloco do volante. ................................................. Desenho esquemtico cotado do acelermetro B12 / 200. ..... Foto do detalhe construtivo interno do transdutor de curso. .... Desenho esquemtico cotado do transdutor de curso. ............

53

62

58 59 60 62

66 70

71

72 73 74 75

76 77 78 79 79

Figura 3.5 Figura 3.6 Figura 3.7 Figura 3.8

xiii

Figura 3.9

Vistas lateral e frontal do veculo com a instrumentao. ........

80

Figura 3.10 Desenho esquemtico de ligao do Spider ao computador e impressora. ............................................................................... Figura 3.11 Diagrama de bloco do aparato experimental. .......................... Figura 4.1 Esquema representativo da manobra executada. ....................

81 83

86

Figura 4.2

Grfico do curso dos transdutores das rodas dianteiras em funo do ngulo de esteramento. ......................................... Grfico dos curvas dos amortecedores dianteiros utilizados. .. Grfico dos curvas dos amortecedores traseiros utilizados. .... Grfico dos ngulos de volante e rodas em manobra esttica. Grfico de variao de convergncia das rodas dianteiras do veculo de testes. ..................................................................... Grfico de controle das manobras de esteramento do volante a 60 Km/h. ................................................................................ Grfico de controle das manobras de esteramento do volante a 120 Km/h. .............................................................................. Grfico de controle das manobras de velocidade de giro do volante a 60 e 120 Km/h. ......................................................... Grficos de comportamento dos ngulos de rolamento lateral a 60 e 120 Km/h, sob influncia das molas. ............................. Grficos de retardo de resposta mudana de direo a 60 e 120 Km/h, sob influncia das molas. ....................................... Grficos de comportamento dos ngulos de inclinao longitudinal (Pitch) a 60 e 120 Km/h, sob influncia das molas. Grficos de comportamento das aceleraes laterais a 60 e 120 Km/h, sob influncia das molas. .......................................

87 89 89 91

Figura 4.3 Figura 4.4 Figura 4.5 Figura 4.6

92

Figura 5.1

93

Figura 5.2

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Figura 5.3

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Figura 5.4

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Figura 5.5

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Figura 5.6

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Figura 5.7

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xiv

Figura 5.8

Grficos de comportamento dos ngulos de rolamento laterais a 60 e 120 Km/h, sob influncia das barras. ........................... Grficos de retardo de resposta mudana de direo a 60 e 120 Km/h, sob influncia das barras. ......................................

100

Figura 5.9

101

Figura 5.10 Grficos de comportamento dos ngulos de inclinao longitudinal (Pitch) a 60 e 120 Km/h, sob influncia das barras. ...................................................................................... Figura 5.11 Grficos de comportamento das aceleraes laterais a 60 e 120 Km/h, sob influncia das barras. ...................................... Figura 5.12 Grficos de comportamento dos ngulos de rolamento laterais a 60 e 120 Km/h, sob influncia dos amortecedores. ............. Figura 5.13 Grficos de retardo de resposta mudana de direo a 60 e 120 Km/h, sob influncia dos amortecedores. ....................... Figura 5.14 Grficos de comportamento dos ngulos de inclinao longitudinal (Pitch) a 60 e 120 Km/h, sob influncia dos amortecedores. ........................................................................ Figura 5.15 Grficos de comportamento das aceleraes laterais a 60 e 120 Km/h, sob influncia dos amortecedores. ........................ Figura A-1 Esquema representativo para pesagem do veculo sobre plano horizontal. ....................................................................... Esquema representativo para pesagem do veculo sobre plano inclinado. ........................................................................ Esquema representativo das coordenadas do centro de gravidade e massa. .................................................................. Esquema representativo para condies de Anti-Mergulho. .. Efeitos de Anti-Mergulho durante frenagens. ........................ Efeito de Anti-Levantamentoda suspenso dianteira durante acelerao. ...............................................................................

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103

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105

106

107

119

Figura A-2

120 121 122 123

Figura A-3 Figura B-1 Figura B-2 Figura B-3

124

xv

Figura B-4

Efeito de Anti-Abaixamento da suspenso traseira durante acelerao. ............................................................................... Sistema massa-mola com amortecimento. .............................. Modelo de amortecimento incluindo massas suspensa e no suspensa, suspenso do veculo e pneu. ................................ Aceleraes verticais do modelo para conforto. ...................... Relao geomtrica de instalao da suspenso traseira. ...... Desenho esquemtico do sensor de atitudes VG600AA. ........ Grfico completo com dados de uma prova com veculo de referncia a 60 Km/h. ............................................................... Grfico completo com dados de uma prova com veculo de referncia a 120 Km/h. .............................................................

125 126

Figura C-1 Figura C-2

127 128 131 133

Figura C-3 Figura C-4 Figura D-1 Figura E-1

135

Figura E-2

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xvi

LISTA DE TABELASPg. Tabela 4.1 Tabela 4.2 Tabela 4.3 Pesos e alturas do veculo de testes. ....................................... Valores de alinhamento da suspenso do veculo. .................. Configuraes de Suspenses Testadas. As propostas variam do veculo de referncia pelos componentes indicados em negrito. ..................................................................................... Dados de pesquisa dos tempos de crescimento da Acelerao Lateral at a estabilizao. ....................................................... Tabela C-1 Caractersticas do veculo de testes para clculo de frequncias. .............................................................................. Tabela C-2 Tabela A-1 Frequncias da suspenso do veculo. .................................... Tabela dos ngulos de volante e rodas dianteiras, durante manobra esttica. ..................................................................... Tabela B-1 Dados registrados durante uma prova a 60 Km/h. ................... 137 139 129 130 110 84 85

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Tabela 5.1

xvii

NOMENCLATURAAy Az B C Ct Cs C Acelerao lateral no eixo y (m/s2 ) Acelerao lateral no eixo z (m/s2 ) Distncia do eixo dianteiro ao centro de gravidade (m) Distncia do centro de gravidade ao eixo traseiro (m) Coeficiente de amortecimento do pneu (Ns/m) Coeficiente de amortecimento da suspenso (Ns/m) Coeficiente de rididez de curva (N/rad) Rigidez de curva do pneu dianteiro (N/rad ou N/grau) Rigidez de curva do pneu traseiro (N/rad ou N/grau) Dimetro do arame da mola da suspenso (mm) Distncia lateral entre eixo da direo e centro de apoio do pneu ao solo (m) Dimetro do pneu (m) Dimetro mdio da espira de uma mola de suspenso (mm) Distncia entre o centro de massa e a linha de estero neutro (m) Magnitude da fora aplicada sobre uma mola de suspenso (N) Fora externa aplicada sobre um sistema massa-mola (N) Fora de trao na direo x (N) Fora de resistncia ao rolamento (N) Fora total na direo x (N) Fora na direo y ou fora lateral (N)

Cf

CrD D D De E F F1 Fa FR Fxt Fy

xviii

Fz Fyf Fyr G G H HR Hcg Hcg H1 Iw Ixx Iyy Izz K K Ks

Fora na direo z ou fora vertical (N) Fora lateral (eixo Y) aplicada ao eixo dianteiro (N) Fora lateral (eixo Y) aplicada ao eixo traseiro (N) Acelerao (g) Mdulo de cisalhamento do ao (N/mm2 ) Altura relativa entre centro das rodas dianteiras e traseiras com veculo no plano inclinado (m) Altura do centro de rolamento da suspenso (m) Altura do centro de gravidade (m) Altura do centro de gravidade em relao ao piso do veculo (m) Altura do centro de gravidade da massa suspensa acima do eixo de rotao lateral (m) Momento de inrcia das rodas (Kg.m2) Momento de inrcia do veculo em torno do eixo x (Kg.m2) Momento de inrcia do veculo em torno do eixo y (Kg.m2) Momento de inrcia do veculo em torno do eixo z (Kg.m2) Raio de girao (m) Coeficiente de sub-estero (rad/ms-2 ou graus/g) Rigidez de uma mola de suspenso (N/m)

Kt1 Kt2Kcamber Kllt

Rigidez vertical de um pneu (N/m) Rigidez vertical da banda de rodagem de um pneu (N/m) Coef. de sub-estero devido ao camber das rodas (rad/ms-2) Coef. de sub-estero devido transferncia de cargas laterais nos eixos (rad/ms-2)

xix

Klfcs

Coef. de sub-estero devido s deformaes elsticas das suspenses (rad/ms-2) Coef. de sub-estero devido ao rolamento lateral (rad/ms-2) Coef. de sub-estero devido fora lateral gerada nos pneus dianteiros (rad/ms-2) Rigidez de rotao lateral da suspenso (N/m) Distncia entre eixos do veculo (m) Distncia do eixo dianteiro ao centro de gravidade Distncia do eixo traseiro ao centro de gravidade Momento de rotao lateral ( rolling moment ) Fora normal (N) Nmero de espiras ativas de uma mola de suspenso Ponto neutro de esteramento de direo Velocidade de rotao lateral em torno ao eixo x do veculo (rad/s) Velocidade de elevao (pitch) em torno ao eixo y do veculo (rad/s) Velocidade de rotao (yaw) em torno ao eixo z do veculo (rad/s) Raio dinmico do pneu (m) Caster terra (mm) Convergncia total das rodas direcionais dianteiras (mm) Raio da curva (m) Rigidez total de uma suspenso incluindo molas e pneus (N/m) Relao entre distncia entre eixos e comprimento total do veculo Tempo transcorrido (s)

KrollKt

K L Lf Lr M N Ne NSP P Q R Rdin

R,k

RR RR S T

xx

Tf Tr Tsf TsrV x X Xm y Y w W

Bitola das rodas dianteiras (m) Bitola das rodas traseiras (m) Torque de inclinao lateral da suspenso dianteira (roll torque) Torque de inclinao lateral da suspenso traseira (roll torque) Velocidade longitudinal do veculo (m/s) Eixo longitudinal do veculo Eixo longitudinal de percurso do veculo Deflexo de uma mola de suspenso (mm) Eixo transversal do veculo Eixo transversal de percurso do veculo Comprimento da seo transversal do pneu (mm) Massa total do veculo (Kg) Massa total sobre o eixo dianteiro (Kg) Massa total sobre o eixo traseiro (Kg) Eixo vertical do veculo Fator de amortecimento ( s ) ngulo formado entre a direo de deslocamento e eixo de orientao do pneu (rad)1

WfWrz

frveic.

ngulo de deslizamento da roda dianteira (rad) ngulo de deslizamento da roda traseira (rad) Inclinao longitudinal do veculo para pesagem em balana ngulo de esteramento (rad)

xxi

i o

ngulo de esteramento da roda interna durante a curva (rad) ngulo de esteramento da roda externa durante a curva (rad) ngulo de convergncia de uma das rodas dianteiras (rad) ngulo de variao de convergncia do eixo traseiro (rad) Coeficiente de estero devido ao rolamento susp. diant. (graus/grau) Coeficiente de estero devido ao rolamento susp. tras. (graus/grau) ngulo de elevao rotacional pitch (rad) ngulo de inclinao lateral roll (rad) Coeficiente de atrito ngulo de caster (rad) ngulo de camber (rad) Camber da roda em relao terra (rad) Camber da roda em relao carroceira do veculo (rad) Velocidade angular do pneu (rad/s) Frequncia natural no amortecida do sistema de suspenso (rad/s) Frequncia natural amortecida do sistema de suspenso (rad/s) Frequncia forada do sistema de suspenso (rad/s) Frao da fora de frenagem total desenvolvida nas rodas dianteiras

fr

f = f =

b g n d f

s

Relao de amortecimento da suspenso

xxii

ABREVIATURASABNT - Associao Brasileira de Normas Tcnicas ISO International Organization for Standardisation

SAE - Society of Automotive Engineers DIN Deutsches Institut fr Normung

xxiii

Captulo 1 INTRODUO1.1 - Generalidades Os primeiros automveis surgiram por volta do fim do sculo XIX, em funo do desenvolvimento dos motores de combusto interna, e muito se pareciam com as carruagens predecessoras. Por um longo perodo, as suspenses se mantiveram com eixos rgidos dianteiros e traseiros e um sistema de amortecimento utilizando geralmente feixes de molas elpticas. Um breve histrico feito por Dixon (1996), relata que a partir dos estudos de Langensperger, Ackerman patenteou em 1817 o sistema de direo no qual as rodas so mantidas perpendiculares aos seus arcos de movimento. Lanchester em 1907 introduziu o termo sobre-estero em suas publicaes. Um marco importante no avano dos estudos sobre a anlise cinemtica do Handling, considerando as foras laterais e ngulos de deriva, atribudo a Georges Broulhiet (1925) atravs de suas publicaes denominadas envirage. A partir de 1930 ocorreram numerosos avanos nos estudos, podendo ser citados os trabalhos de Bradley e Allen (1930), sobre as propriedades do atrito sobre as superfcies das estradas; o estudo sobre as vibraes dos sistemas de direo por Becker (1931); e os modelos de suspenso independente apresentados por Broulhiet em 1933. Entre 1937 e 1938, Bastow apresentou trabalhos sobre o efeito de roll no esteramento de suspenses independentes e, Olley apresentava estudos detalhados sobre o comportamento de handling, incluindo anlise de velocidade, aceleraes laterais e trajetrias percorridas. Os trabalhos publicados por Milliken, Segel e Whitcomb entre 1956 e 1957 desenvolvem a teoria de controle linear para anlise das respostas em frequncia. Estes estudos abrangem a faixa correspondente dirigibilidade normal, com as aceleraes laterais limitadas at 3 m/s2 (0,3 g) e regime de respostas lineares aos comandos. A partir de ento so estudados os comportamentos com elevadas aceleraes laterais, que requerem anlises no lineares, inclusive incluindo o motorista no1

Captulo 1 - Introduo

2

controle do veculo, gerando os estudos em regime retroalimentado (closed-loop), alm dos at ento sistemas abertos (open-loop), onde s as reaes do veculo eram consideradas. 1.2 - Handling e Conforto Segundo Gillespie (1992), handling o termo usado para definir as respostas do veculo aos comandos do motorista e sua facilidade de ser controlado, e representando principalmente as suas movimentaes laterais Durante a fase de testes e ajustes de comportamento do veculo, podem ser alteradas as caractersticas dos componentes da suspenso como, por exemplo, as molas, amortecedores, barras estabilizadoras, ngulos geomtricos da suspenso e relao de reduo da caixa de direo. Na Figura 1.1 mostrada a representao dos eixos coordenados do veculo conforme norma ISO 4130, que utilizada para representar os movimentos nas vrias direes.

Figura 1.1 Sistema de eixos coordenados conforme ISO 4130 e DIN 70000.


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As provas de handling do veculo esto tambm intimamente ligadas s avaliaes de vibrao e conforto interno para os passageiros, de modo que a configurao final do conjunto da suspenso possa proporcionar segurana e conforto de modo balanceado para cada tipo e uso do veculo. A suspenso tem o objetivo bsico de garantir o contato entre o pneu e a pista e deve faz-lo adequadamente, absorvendo as oscilaes e vibraes, com respostas suaves aos comandos do motorista sobre o volante, dentro dos nveis de tolerncia a aceleraes suportadas pelo ser humano e sua capacidade de reao a movimentos imprevistos ou alternados. Do ponto de vista da abordagem do conforto Reimpell (1996) considera a faixa de 1 a 80 Hz como sendo a mais crtica com relao ao conforto, dividindo de 1 a 4 Hz para o ride comfort , e acima de 4 Hz para o road harshness. A sensibilidade humana capaz de perceber de modo audvel excitaes de 20 a 20.000 Hz. Para a maioria dos automveis de passageiros, o limite superior da faixa de vibraes crticas est situada at 25 Hz. Visando diminuir os efeitos negativos das aceleraes no ser humano, podem ser utilizadas suspenses mais macias, com amortecedores com menor carga, e molas com menor rigidez. Por sua vez, maior flexibilidade implica em maior amplitude de movimentao da carroceria, entre eles, movimento de rolamento e pitch, que prejudicam o handling e a estabilidade em curvas e pisos irregulares. Conforme levantamentos realizados pela SAE (1976) sobre tolerncia humana s vibraes, o corpo humano tem o seu nvel mais sensvel entre 4 e 8 Hz no sentido vertical devido ressonncia da cavidade abdominal, melhorando at atingir a frequncia de 1 Hz com maior nvel de tolerncia, que aproximadamente a frequncia natural de caminhada. Por este motivo, a grande maioria dos veculos de passageiros tem a frequncia natural da massa suspensa ajustada para a faixa entre 1 e 1,5 Hz (Bastow e Howard, 1997). Para as vibraes longitudinais evidencia-se a faixa de 2 Hz como as mais indesejadas.


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1.3 - Objetivos e Escopo O objetivo principal do trabalho fazer um estudo do comportamento dinmico do veculo baseado nos dados obtidos experimentalmente em manobras

padronizadas de mudana de direo partindo de velocidades constantes. As caractersticas bsicas da geometria e comportamento tambm so comparadas s recomendadas na literatura atual. Na reviso bibliogrfica so analisados um nmero maior de sistemas do veculo em relao aos que foram objeto da parte experimental. Isto se deve ao fato de o veculo ser um sistema complexo com vrios graus de liberdade e tendo ainda a participao subjetiva do motorista. O conhecimento prvio de um nmero maior de variveis que afetam a dinmica de comportamento e as potencialidades de participao nos resultados destes sistemas torna-se portanto importante. Outro aspecto relevante a sistematizao de uma metodologia experimental para caracterizar graficamente as reaes do veculo em funo dos comandos do motorista utilizando uma instrumentao relativamente simples. As provas foram executadas em um mesmo veculo, alterando-se individualmente e em grupo as caractersticas de componentes da suspenso, e avaliando o comportamento de respostas do mesmo. Os trabalhos mais recentes neste campo de pesquisa visam conhecer o comportamento dinmico do veculo e partir para o desenvolvimento de sistemas eletro-mecnicos de gerenciamento ativo das reaes do veculo, visando auxiliar o motorista em condies adversas de estabilidade e controle, aumentando o nvel de segurana. J so disponveis em veculos de passeio de produo seriada controladores eletrnicos de estabilidade como, por exemplo, o ESP da Robert Bosch, atuando ativamente no sistema de freios e controle motor. Um outro aspecto importante o fato de a indstria automobilstica atualmente trabalhar no projeto de famlias de automveis, onde uma plataforma comum serve de base para o desenvolvimento de verses hatch, seds, familiares ou station wagons, e tambm caminhonetes. Sob este aspecto, torna-se importante o conhecimento do comportamento de uma verso base, a partir da qual so feitos os ajustes da suspenso, direo e pneus para as diversas outras. Este conhecimento prvio resulta na racionalizao e reduo do acerto destas verses sucessivas. tempo para o


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Deste modo, dividiu-se o trabalho da seguinte maneira: O captulo 2 apresenta uma reviso bibliogrfica dos sistemas de suspenso mais utilizados nos modernos automveis, as caractersticas construtivas dos principais componentes envolvidos, assim como as caractersticas geomtricas e dinmicas desejveis para que os veculos possam ter um comportamento seguro e confortvel. O captulo 3 aborda a metodologia para a realizao das provas, detalhando as caractersticas tcnicas dos instrumentos e aparelhos utilizados e mostrando os parmetros objetivos que sero estudados. O captulo 4 descreve o procedimento experimental adotado, as manobras dinmicas realizadas, as caractersticas tcnicas do veculo de testes utilizado no experimento e a relao dos componentes substitudos. No captulo 5 so apresentados e discutidos os resultados obtidos nas provas e verificando a coerncia com a teoria disponvel e caractersticas desejveis. O captulo 6 expe as concluses, mostrando que o estudo e compreenso das caractersticas geomtricas bsicas e avaliaes dinmicas de comportamento, so fundamentais para as escolhas de acerto da suspenso, servindo inclusive de base para o desenvolvimento dos sistemas eletrnicos de gerenciamento das suspenses. O apndice A contm o mtodo de clculo do centro de gravidade; o apndice B mostra as equaes para anlise dos efeitos Anti movimentao da massa suspensa e o clculo destas caractersticas para o veculo de provas; no apndice C so calculadas as frequncias naturais no amortecidas da suspenso; no apndice D so mostradas as caractersticas de um aparelho de medio de atitudes do veculo; o apndice E mostra dois grficos com todos os dados registrados durante duas provas; e o anexo A apresenta as tabelas de dados obtidos em uma nica prova.

Captulo 2 REVISO BIBLIOGRFICA2.1 - Sistemas e Componentes de Suspenso Os sistemas de suspenso surgiram na poca de veculos com trao animal com o objetivo de proporcionar conforto e absorver as irregularidades dos terrenos. Na indstria automobilstica, medida que os veculos aumentavam as velocidades de trnsito e melhoravam as condies das estradas, intensificaram os estudos para a otimizao do comportamento das suspenses. Segundo Gillespie (1992), as suas funes principais so: Permitir a movimentao vertical das rodas ao longo do percurso, isolando o chassis das imperfeies do solo; Manter as rodas nos seus ngulos caractersticos previstos, seja esttica ou dinamicamente, executando manobras de mudana de direo e curvas; Suportar as foras de reao impostas pelos pneus, ou seja, transmitir acelerao e suportar frenagens longitudinais e foras laterais (curvas); Suportar os efeitos de rolamento lateral do chassis ou monobloco; Manter os pneus em contato com o solo, com as menores variaes de cargas possveis. Alm de permitir a movimentao vertical das rodas, o projeto da geometria da suspenso deve contribuir tambm para reduzir as movimentaes indesejveis da carroceria em pitch e roll. Na Figura 2.1 mostrado o esquema bsico de uma suspenso. A mola principal sustenta a massa suspensa, e o amortecedor atua dissipando a energia da mola armazenada durante a movimentao. O pneu tambm possui uma flexibilidade atuando em srie com a mola. Os amortecimentos atuam em paralelo. As caractersticas bsicas da suspenso do veculo de testes esto apresentadas no Apndice C, juntamente com os clculos das frequncias naturais no amortecidas.

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Captulo 2 Reviso Bibliogrfica

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Figura 2.1 Esquema simplificado de uma suspenso de veculo.

2.1.1 - Suspenso Dianteira McPherson A suspenso desenvolvida por Earle S. McPherson constituda por uma estrutura tubular que j incorpora a funo de amortecedor, sendo ligada rigidamente na extremidade inferior ao montante da roda; um brao triangular, com dois apoios no chassi, ou monobloco do veculo, e um apoio articulado unindo o brao ao montante. Na parte superior da estrutura, conforme Fig. 2.2, a haste roscada do amortecedor ligada ao chassi com uma bucha elstica que serve de apoio ao anel de apoio da mola, absorvendo vibraes e permitindo os movimentos de rotao.Legenda:1- Parte da carroceira 2- Material elstico 3- Carcaa do coxim 4- Batente de fim de curso de extenso 5- Batente de borracha

Figura 2.2 - Fixao superior de uma suspenso dianteira McPherson. O rolamento permite o movimento de rotao, enquanto a borracha absorve impactos e filtra vibraes.


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O grfico representa o comportamento de deformao em funo da carga aplicada durante a compresso e o retorno para a posio de equilbrio com a respectiva histerese. Esta configurao de suspenso tem a grande vantagem de necessitar pouco espao transversal, sendo muito utilizada na dianteira de veculos pequenos e mdios com carroceria tipo monobloco e com motores dianteiros transversais, mas tambm empregadas nas suspenses traseiras. Outros pontos positivos so a facilidade de instalao, poucos componentes e juntas, baixo peso, e pouca sensibilidade a variaes de tolerncia dimensional.

Comportamento dinmico e aspectos construtivosObserva-se na Fig. 2.3 os detalhes de uma estrutura McPherson onde o suporte da roda ou montante (1) ligada rigidamente atravs de parafusos com o tubo estrutural que incorpora internamente o amortecedor. A extremidade externa da haste do amortecedor fixa-se por unio roscada a um suporte que serve tambm de apoio superior para a mola e corpo integrante do rolamento (5), e onde est posicionado o batente que atua como mola suplementar e fim de curso elstico da suspenso. Do lado inferior a mola est apoiada atravs do prato (3). O coxim de borracha (6) absorve as foras da mola, enquanto as partes macias (7), tambm de borracha, absorvem as foras geradas pelo amortecimento. Os anis metlicos (8) e (9) atuam respectivamente como batentes de segurana de compresso e de extenso, na eventualidade de rompimento do coxim de borracha. Na parte inferior do sistema tem-se a junta esfrica (12) que une o montante da roda ao brao de apoio (13). Entre os aspectos negativos esto a variao de camber ao longo da excurso da suspenso e a alterao da bitola do veculo, que podem trazer prejuzos para a estabilidade. Verifica-se a existncia de uma carga lateral no amortecedor devido a geometria da suspenso e do eixo de atuao da mola. Estas cargas prejudicam o escorregamento da haste do amortecedor, provocando uma perda do nvel de conforto (Stensson, Asplund, Karlsson, 1994).


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Legenda1234567891011121314Montante da roda Amortecedor telescpico Prato inferior de apoio da mola Batente de elastmero Prato superior de apoio da mola Coxim de borracha (dureza maior) Coxim de borracha (dureza menor) Anel de segurana de compresso Anel de segurana de trao Junta homocintica Disco de freio Terminal esfrico Brao inferior da suspenso Barra estabilizadora

Figura 2.3 - Vista em corte de uma suspenso dianteira McPherson, utilizada em veculo com trao dianteira (Fiat Lancia).

Segundo Reimpell e Stoll(1996), essas cargas indesejveis podem atingir valores em torno de 100 N (em trao ou compresso). Para minimizar este efeito utilizado o artifcio de projeto de colocar a mola descentralizada em relao ao eixo do amortecedor. Analisando o diagrama de foras da Fig. 2.4, a distncia b responsvel pela gerao da fora lateral ( FE,y ), conforme mostrado na Eq. (2.1). desejvel que o ponto b seja deslocado para o plano central da roda para minimizar o efeito de momento (Wunsche et al, 1994).


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FE , y = Fz',W

b c+o

(2.1)

Figura 2.4 - Esquema de foras atuantes na suspenso McPherson.

2.1.2 - Suspenso Traseira A configurao para a suspenso traseira do veculo utilizado neste trabalho a denominada braos combinados e travessa de ligao, sendo largamente utilizada em veculos pequenos e mdios, em decorrncia da sua simplicidade. Teve o seu desenvolvimento iniciado na dcada de 1970, quando foi empregada pela primeira vez no veculo Golf da Volkswagem. Passou a ser utilizada por vrias outras montadoras principalmente em virtude da popularizao do conceito de trao dianteira nos automveis de passeio. constituda basicamente por dois braos oscilantes que do suporte aos cubos das rodas em uma de suas extremidades, enquanto so fixados atravs de articulaes na carroceria na outra. Os braos so ligados rigidamente entre si atravs de um eixo transversal ou simplesmente travessa, geralmente de perfil aberto de ao em forma de U. Esta ligao estabelece uma interdependncia


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nos movimentos oscilatrios entre os braos direito e esquerdo. Nela esto soldados os pontos de fixao inferior dos amortecedores, e eventualmente tambm o prato de apoio inferior da mola, conforme exemplo da Fig. 2.5. O conjunto composto praticamente de uma pea estrutural e duas flanges pivotadas para fixao na carroceria, que proporcionam facilidade de instalao e desmontagem no veculo e cuja forma contribui para uma maior disponibilidade de espao acima do eixo onde geralmente est o porta-malas para os veculos de trao dianteira. Esta simplicidade construtiva minimiza custos de fabricao e montagem, porm certamente limita o seu desempenho dinmico se comparada a outros de maior complexidade.

Figura 2.5 - Conjunto da suspenso traseira com braos combinados e barra transversal ou travessa. Detalhe da bucha de borracha montada na articulao de fixao no chassis.

Comportamento dinmico e aspectos construtivos Um efeito que deve ser observado no comportamento dinmico do veculo com esta suspenso a tendncia de sobre-estero durante a aplicao de esforos


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laterais, conforme visualizado na Fig. 2.6, em funo da flexibilidade dos coxins elsticos de borracha utilizados nos pontos de fixao do eixo carroceria (Reimpell e Stoll, 1996). Para minimizar estes efeitos negativos recorrem-se a solues como o uso de buchas com deformao controlada sob carregamento lateral, ou atravs da utilizao um recurso de projeto onde o rolamento da carroceria provoca uma tendncia sub-esterante no conjunto (Dixon, 1996).

Figura 2.6 - Sob influncia de esforos laterais, o eixo traseiro pode assumir um ngulo r, provocando sobre-estero.

Do ponto de vista cinemtico, a tendncia de ocorrerem alteraes de convergncia, da distncia entre as rodas (bitola), e de camber durante a ocorrncia de movimento paralelo ou relativo entre os braos so desprezveis se comparados a outros sistemas. Outros efeitos negativos so os elevados nveis de tenso atuantes nas soldas dos componentes (travessa, braos longitudinais e pratos de apoio das molas), elevada carga de toro e a limitao da carga no eixo em funo do comprimento do brao. A travessa de ligao, alm de fazer a funo de estruturao do sistema, atua tambm como barra estabilizadora. No caso da necessidade do aumento do efeito estabilizante, a forma em U permite


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que a barra seja colocada em seu interior, no aumentando o espao ocupado pela suspenso. A posio longitudinal do eixo transversal ou travessa em relao ao eixo de pivotamento do conjunto a principal varivel do projeto deste sistema, conforme mostrado na Fig. 2.7, resultando em inmeras possibilidades de ajuste que afetam o seu comportamento (Milliken e Milliken,1995 e Satchell, 1994). Quando a travessa posicionada no mesmo alinhamento do eixo de pivotamento, ela atua somente como barra estabilizadora convencional quando a carroceria submetida ao rolamento, e a suspenso apresenta caractersticas iguais s de braos paralelos independentes.

Figura 2.7 Configuraes de posicionamento da travessa na suspenso traseira.


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Quando o eixo transversal ou travessa est em uma posio intermediria entre a articulao e as rodas, os esforos atuantes so mais severos e combinados em flexo-toro. Durante o rolamento encontram-se movimentos cnicos e axiais dos braos da suspenso, que so caractersticos de um sistema de semi-braos oblquios. Posicionando-se o eixo transversal alinhado com o centro das rodas, verifica-se a necessidade de um componente adicional para suportar os esforos transversais que o sistema original no mais capaz de absorver. Os braos devem ter necessariamente baixa rigidez toro e flexo. 2.1.3 - Molas As molas so corpos elsticos de unio entre as partes mveis dos componentes da suspenso. Em particular as molas da suspenso fazem a ligao entre a massa suspensa e a no suspensa do veculo. Tm como funo primria sofrer flexes e deformaes quando submetida aplicao de cargas, devendo retornar a sua condio inicial no momento em que o carregamento removido. O seu funcionamento correto no veculo visa dar flexibilidade de funcionamento s suspenses de modo a filtrar as irregularidades do solo, proporcionando um nvel adequado de conforto aos ocupantes. As suas caractersticas devem ser combinadas com a atuao dos amortecedores, barra estabilizadora e sistema de direo para garantir o controle da estabilidade. desejvel nas molas um funcionamento progressivo de modo que as deformaes sejam proporcionais aos esforos aplicados. A energia potencial armazenada quando da aplicao da carga liberada em forma de energia

cintica. Os amortecedores, que trabalham em conjunto, devem absorver parte desta energia e liber-la em forma de calor (Spring Design Manual, 1996). Segundo Dixon (1996), os materiais utilizados na construo de molas para automveis podem ser de origem slida, lquida ou gasosa. O ao o principal material empregado na fabricao de molas. As molas helicoidais e barras de toro, so submetidas as esforos de toro, enquanto que nas do tipo lminas, os esforos so de flexo. Atualmente as molas helicoidais so as mais utilizadas em funo do bom desempenho, custo, domnio do processo, facilidade de fixao


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e pouco espao utilizado no grupo da suspenso. Normalmente elas trabalham compresso e obedecem lei de Hooke, de tal modo que dentro do limite elstico as deformaes so proporcionais ao esforo aplicado. A forma construtiva pode gerar um comportamento de rigidez constante ou varivel. A rigidez varivel conseguida de modo relativamente fcil, como por exemplo, fazendo o passo da espira varivel, de modo que em compresso as espiras da extremidade comecem a tocar entre si, reduzindo o nmero total e aumentando a rigidez. A rigidez Ks pode ser calculada atravs da relao entre o dimetro do arame, dimetro e nmero de espiras e as caractersticas do material. A Equao (2.2) aplicvel para molas helicoidais retas, mostra a relao para o clculo da rigidez:

G. d 4 Ks = 8. De3 . N eonde: G= Mdulo de cizalhamento do ao (N/mm2)

(2.2)

Ks = Rigidez da mola (N/mm)De = Dimetro mdio da espira ( mm ) Ne = Nmero de espiras ativas d= Dimetro do arame da mola ( mm )

Uma vez definidas as caractersticas da mola, pode-se calcular as deflexes sofridas em funo da carga aplicada. A Equao (2.3) mostra esta relao.

8 FDe3 N e xm = Gd 4onde: F = magnitude da fora ( N )

(2.3)


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Por sua vez, a escolha da rigidez das molas varia em funo da misso do veculo, sendo basicamente menor para veculos de passeio e maior medida que se exige um maior desempenho em manobras, como por exemplo, em veculos esportivos. No veculo de testes, as molas dianteiras e traseiras so do tipo helicoidal, com as dianteiras de flexibilidade constante, enquanto que as traseiras, de dupla flexibilidade. No acerto final so observados os aspectos de conforto e absoro de irregularidades em marcha, movimentaes excessivas durante manobras e curvas, e a estabilidade e segurana em situaes de emergncia (desvio de trajetria, frenagens e aceleraes). 2.1.4 - Amortecedores Os amortecedores dos veculos so colocados como elementos de ligao entre a massa suspensa e a no suspensa visando reduzir e limitar as velocidades e amplitudes das movimentaes da carroceria em seus vrios graus de liberdade. A movimentao por sua vez est associada s manobras realizadas pelo motorista em virtude das necessidades do percurso e em funo da excitao proveniente das irregularidades das estradas. As movimentaes excessivas e no desejadas do veculo, que pode ser analisado como um sistema vibrante com vrias massas e molas, podem comprometer a estabilidade ou provocar sensao de desconforto e insegurana ao motorista e passageiros. A energia absorvida pelo amortecedor dissipada em forma de calor para o ambiente. Atualmente, nas suspenses passivas so empregados quase que exclusivamente os amortecedores hidrulicos telescpicos do tipo simples ou duplo tubo. Pode-se utilizar tambm gs inerte (Nitrognio) pressurizado em seu interior. Podem ser encontradas velocidades de funcionamento de 1,7 m/s a 5 m/s nas aplicaes em veculos de passeio (Bastow, 1997). Em estradas com pavimentao irregular e com oscilaes podem surgir picos de acelerao de at 30 g em condies espordicas (considerando g = 9,8 m/s2)


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Nos amortecedores pressurizados a gs atualmente empregados, onde a presso do gs injetado varia normalmente entre 0,4 a 0,5 MPa, podem ser atingidas temperaturas de at 200 C durante a realizao de testes ou rodagem constante em pavimentaes acidentadas (Reimpell e Stoll, 1996). A base matemtica para o comportamento do amortecimento viscoso a proporcionalidade entre a velocidade e a fora de amortecimento, que conseguida atravs de artifcios construtivos dos componentes internos. Pode-se mencionar que os amortecedores do tipo atrito seco foram praticamente abandonados nas aplicaes em suspenses de automveis, principalmente pelo fato de que, o atrito no desejvel para o funcionamento da suspenso (Bastow, 1997). Caso a fora perturbadora no seja suficiente para vencer a fora de atrito, toda a excitao transmitida diretamente para a massa suspensa, ou seja, tambm para o habitculo dos ocupantes do veculo. Segundo Dixon (1999) e Gillespie (1992), as razes de amortecimento mdio para veculos de passageiros esto entre 0,2 e 0,4. Para carros esportivos ou de competio pode-se estar na faixa de 0,4 a 1,0. A relao bsica entre as cargas de compresso e extenso de 30 / 70, podendo ainda variar de acordo com o modelo e perfil de utilizao, entre as propores de 20 / 80 e 50 / 50. Na Figura 2.8 visualizam-se duas maneiras de se representar genericamente uma curva de amortecedor para veculos de passageiros.

Figura 2.8 - Exemplos de curvas de amortecedores.


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Forma construtiva e Descrio do funcionamento Os amortecedores telescpicos de tubo duplo, como o mostrado no esquema da Fig. 2.9, so constitudos por uma cmara principal (A), de uma cmara de equalizao (C), pelo pisto (1) fixado haste de acionamento (6), por uma vlvula inferior (4), e uma guia para a haste (8) e seu selo de vedao de leo e presso (5). O reservatrio C geralmente preenchido at a metade de seu volume com leo e o restante ocupado pelo gs sob uma presso que varia de 0,4 a 0,5 Mpa. Recomenda-se que a inclinao de instalao no veculo na condio de toda compresso no supere 45, para evitar a suco de gs pelo pisto (ou ar nos no pressurizados). Quando a roda do veculo se desloca para cima, a distncia entre as extremidades do amortecedor diminui, induzindo o movimento do pisto (1) para baixo em compresso. Ocorre ento uma transferncia de leo atravs da vlvula II da parte inferior da cmara principal (A) para a parte superior da mesma cmara. Nesta condio, o papel principal na gerao da fora de amortecimento ocorre quando o volume de leo deslocado pela haste do pisto flui atravs da vlvula IV para a cmara de equalizao (C). Na condio de extenso do amortecedor, a presso na poro superior da cmara principal aumenta e um fluxo atravs da vlvula I em direo parte inferior da cmara tem incio, sendo esta a principal responsvel pela gerao de fora na descompresso do sistema. medida em que a haste do pisto se desloca para fora do amortecedor, o volume til da cmara principal aumenta e o leo necessrio ao seu preenchimento sugado da cmara de equalizao atravs da vlvula III. O aumento de presso na parte superior do amortecedor provoca um aumento na presso sobre o selo da guia da haste (A) para a parte superior da mesma cmara. O volume de leo deslocado pela haste do pisto flui atravs da vlvula IV para a cmara de equalizao (8) onde os furos de retorno (9) possibilitam a recuperao do leo que se deposita entre a haste e sua guia.


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Legenda1- Pisto ou mbolo 2- Tubo do cilindro 3- Tubo externo 4- Vlvula inferior 5- Selo de vedao 6- Haste do pisto 7- Capa de proteo 8- Guia da haste do pisto 9- Furo de retorno

Figura 2.9 Desenho esquemtico do princpio de funcionamento do amortecedor de duplo tubo.

2.1.5 - Barras Estabilizadoras As barras estabilizadoras so componentes que podem ser adicionados nas suspenses dianteira, traseira ou ambas. Elas podem ser feitas de barras

circulares de ao macio ou tubular, ou perfis em forma de U, com a finalidade principal de diminuir os ngulos de inclinao da carroceria e tambm a velocidade em que o fenmeno acontece (Bosch Handbook, 1996). Pelo fato de estar ligada entre os lados esquerdo e direito do veculo, no interfere nas movimentaes simtricas da suspenso quando a mesma bem projetada, passando a atuar quando acontecem deflexes laterais.


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Alm

desta

funo

primria,

as

barras

estabilizadoras

influenciam

as

caractersticas de comportamento em curvas e respostas ao esteramento do volante, fazendo com que o veculo aumente ou diminua o sobre-estero e subestero, melhorando a segurana de direo e controle do veculo. Conforme Reimpell e Stoll (1996), o incremento de barra no eixo dianteiro proporciona um aumento da tendncia ao sub-estero e melhora o comportamento em manobras de mudana de direo. A maior estabilizao do eixo traseiro produz um comportamento mais neutro nos veculos de trao dianteira e maior sobreestero nos de trao traseira. Na Figura 2.10 apresentada uma suspenso dianteira com barra estabilizadora, onde a barra est fixada nas extremidades aos braos oscilantes e apoiada atravs de dois coxins presos carroceria.

Figura 2.10 - Barra estabilizadora montada sobre uma suspenso dianteira McPherson.

O efeito estabilizante da barra est associado s caractersticas de rigidez da pea, definidas atravs da sua forma, dimenses e materiais empregados. A sua


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utilizao visando melhorar as caractersticas de comportamento provoca alguns efeitos indesejveis para o conforto, entre eles o aumento da rigidez das suspenses e a vibrao da carroceria em funo do atrito causado por seus pontos de apoio, inclusive com maior excitao do grupo moto-propulsor. Outro ponto negativo o aumento da oscilao da carroceria, quando o veculo trafega em linha reta em estradas ou pavimentaes irregulares e com buracos. Estas oscilaes provocam um deslocamento relativo entre as rodas do lado esquerdo e direito, quando uma comprimida e outra estendida. Estando estas ligadas entre si atravs da barra, o habitculo do veculo que est no conjunto da massa suspensa sofre tambm estas perturbaes.

2.1.6 - Batentes de Fim de Curso O movimento da suspenso deve ser limitado em seus finais de curso de extenso e compresso, para prevenir o contato metal-metal e evitar valores de acelerao elevados, que podem causar danos estruturais aos componentes e carroceria. O controle da movimentao das rodas tambm necessrio para garantir o funcionamento nos ngulos mximos previstos para os braos da direo e articulaes das barras estabilizadoras, buchas da suspenso e juntas esfricas dos semi-eixos. Os batentes so empregados para estas finalidades e ainda contribuem para uma passagem gradual da movimentao da suspenso em funo das caractersticas das molas e amortecedores, para a carga final de fim de curso. Deste modo, atuam como molas complementares e melhoram o comportamento, controlando a velocidade e ngulo total de rolamento da carroceria durante manobras de curvas e desvio de trajetria em mdias e altas velocidades, proporcionando ao veculo uma melhor progressividade de resposta. Com poucas excees, os batentes de extenso esto instalados internamente nos amortecedores, como no caso da construo McPherson. Os de compresso podem ser vazados e inseridos nas hastes dos amortecedores, no interior das molas e fixados nas longarinas do pavimento, ou ainda posicionados nos eixos.


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Os materiais atualmente mais utilizados nos veculos de passeio so a borracha e elastmeros base de poliuretano. Estes ltimos tm tido o seu emprego aumentado em funo de suas boas propriedades mecnicas, pouca sensibilidade s variaes de temperatura, leveza e capacidade de suportar cargas elevadas (Reimpell e Stoll, 1996). As caractersticas de

relativamente

amortecimento desejadas so alcanadas trabalhando na otimizao da forma, densidade e comprimento. Um exemplo de curva particular de carga e deformao de um batente e mola suplementar, e seu desenho esquemtico, apresentado na Fig. 2.11.

Figura 2.11 - Curva e detalhe construtivo de um batente de elastmero com funo de mola suplementar


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2.2 - Sistemas de Direo 2.2.1 - Generalidades O sistema de direo, que na grande maioria dos veculos de passageiros est localizado somente na suspenso dianteira, tem uma construo cinemtica particular porque deve permitir o funcionamento normal da suspenso e a

realizao de manobras de curvas, respondendo aos comandos realizados no volante pelo motorista e transferindo as foras entre o pneu e a superfcie da estrada. A geometria bsica proposta por Ackerman apresentada na Fig.2.12, na qual o ngulo da roda dianteira interna maior que a da roda dianteira externa. Mais detalhes so abordados no sub-tem 2.5.2 deste captulo.

Legenda: 0 ngulo de esteramento da roda interna i ngulo de esteramento da roda externa L Distncia entre eixos R Raio da curva t Bitola das rodas

Figura 2.12 - Geometria bsica para a realizao de curvas proposta por Ackerman.

Em funo das movimentaes elsticas das articulaes de ligao dos componentes, geralmente feitas de borracha e elastmeros, a relao entre o ngulo do volante e os das rodas no so perfeitamente lineares. Durante a movimentao do veculo, o motorista deve continuamente ajustar o ngulo do volante para percorrer a trajetria desejada, em funo de sua percepo e comportamento do carro. Entre os fatores que contribuem para estas alteraes pode-se citar a inclinao lateral da carroceria, a sensao de acelerao lateral e torque de reao do volante.


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O mecanismo mais utilizado para a construo das caixas de direo em veculos de passageiros com suspenso independente o do tipo pinho e cremalheira, montada transversalmente em relao ao eixo x do veculo, conforme mostrado na Fig. 2.13. O movimento de rotao do pinho, que est ligado em sua extremidade coluna de direo que tem o volante na outra extremidade, transformado em movimento de translao, e este por sua vez, atravs dos tirantes e braos, comanda a rotao das rodas.

Figura 2.13 - Esquema de funcionamento do sistema de direo. 3- braos da direo esquerdo e direito; 7- terminais esfricos de ligao do tirante da caixa ao brao; 8- caixa de direo do tipo pinho e cremalheira.

Entre as vantagens deste sistema pode-se citar a construo simplificada e de baixo custo de produo, a ligao direta entre os tirantes da caixa e os montantes das rodas e mnima elasticidade de esteramento. Entre as desvantagens, as principais so: a elevada sensibilidade a impactos com uma elevada transferncia das perturbaes oriundas das rodas; o fato de no poderem ser empregados em eixos rgidos; e a presena de cargas elevadas em aplicaes onde o comprimento dos braos no podem ser aumentados devido ao pouco espao disponvel. A necessidade de proporcionar conforto e preciso ao motorista tem forado a adoo cada vez mais frequente dos mecanismos de direo assistidos. O modelo


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mais utilizado em veculos pequenos, e tambm disponvel no carro de testes, a caixa de direo assistida hidraulicamente atravs de um circuito dotado de bomba, reservatrio, mangueiras, polias e correias de ligao com o motor. A caracterstica desejvel nestes sistemas a de possibilitar uma elevada

assistncia nas manobras de baixa velocidade e de estacionamento com o motor girando abaixo de 1000 rpm e uma reduo progressiva da assistncia medida do aumento da velocidade do carro e da imposio de pequenos ngulos de volante. Um exemplo de circuito de direo hidrulica mostrado na Fig.2.14 com a composio bsica dos componentes. Dos componentes principais pode-se citar a bomba de leo (3), que geralmente acionada atravs de polias e correia acoplada ao motor. O leo conduzido atravs de tubos metlicos e flexveis de alta e baixa presso (5), passando pela caixa de direo (1).

Legenda:

Volante de direo e coluna2- Caixa de Direo 3- Bomba Hidrulica 4- Reservatrio de leo 5- Tubulaes

Figura 2.14 - Esquema dos componentes do sistema de direo hidrulica.


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2.3 - Pneus 2.3.1 - Introduo Os pneus desempenham uma importante funo no comportamento dinmico do veculo, sendo os elementos de ligao entre o piso e o conjunto da suspenso e carroceria. Segundo Gillespie (1992), o pneu deve cumprir basicamente trs funes: 1) Suportar a carga vertical enquanto absorve os impactos recebidos da estrada; 2) Desenvolver as foras longitudinais para transmitir acelerao e frenagem; 3) Desenvolver as foras laterais para a realizao de desvios e curvas. Alm das funes bsicas citadas, os pneus utilizados em veculos de passageiros e de carga, devem ainda possuir caractersticas positivas e compatveis de durabilidade, economia, conforto, baixo nvel de rudo de rolamento, atender s necessidades de handling, e manter estveis seu rendimento em diferentes condies de piso seco ou molhado, com temperaturas e nveis de solicitao de cargas variadas. Os dois tipos de construo mais largamente empregados em pneus so o diagonal e o radial. A denominao deve-se ao posicionamento da cordoalha de reforo da carcaa de borracha, de modo que nos diagonais so dispostos em ngulos que variam de 30 a 45, e nos radiais esto dispostos em duas camadas, uma transversal a 90 e outra longitudinal em relao ao eixo de rotao, conforme Fig. 2.15. A partir da dcada de 80, os pneus radiais praticamente substituram os diagonais nas aplicaes em automveis de passeio. As principais vantagens dos radiais destacadas por Reimpell e Stoll (1996) so: a maior durabilidade, maior

capacidade de carga, menor resistncia ao rolamento, melhores propriedades de aquaplanagem, melhor comportamento em frenagens sobre pistas molhadas, transferncia de maiores foras laterais para as mesmas presses, e melhores caractersticas de conforto a altas velocidades. Entre as poucas desvantagens


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pode-se citar a sua pouca estabilidade direcional, sendo que para melhorar este desempenho so utilizadas cintas geralmente de ao, que formam uma malha em torno da circunferncia do pneu entre a carcaa de borracha e a banda de rodagem. A cordoalha desta cinta est normalmente montada formando um ngulo de 20 em relao ao sentido de rodagem (Figura 2.18). Uma segunda desvantagem a pouca resistncia mecnica da lateral do pneus se comparada com a dos diagonais.

Figura 2.15 - Construo dos trs principais tipos de pneus empregados atualmente.

Para transmitir as foras de trao, sejam elas durante aceleraes ou frenagens, o coeficiente de atrito dos pneus um fator fundamental. Para a transmisso destas foras a banda de rodagem do pneu solicitada e durante a sua deformao desenvolvida a fora de atrito. A Figura 2.16 ilustra o mecanismo de deformao na regio de contato com o solo durante uma frenagem.


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Figura 2.16 Deformao na regio de contato durante uma frenagem.

Da anlise deste mecanismo de deformao da banda de rodagem durante a transmisso de foras de acelerao e frenagem, verifica-se uma diferena entre as velocidades tangenciais do pneu e do percurso. Como consequncia, tem-se a gerao de um deslizamento na rea de contato. Gillespie (1992) define este escorregamento (slip) como uma grandeza no dimensional, sendo uma porcentagem da velocidade de deslocamento, representada pela Eq. (2.4):

Escorregamento (%) = (1 - rdin/V) x 100 Onde: rdin = raio dinmico do pneu (m) = Velocidade angular do pneu (rad/s) V = Velocidade longitudinal do veculo (m/s)

(2.4)


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Como descrito inicialmente, outra importante funo desempenhada pelo pneu a gerao de foras laterais para o controle direcional do veculo durante curvas, mudanas de direo e para suportar foras externas como vento e inclinaes da pista. Quando o pneu submetido a uma fora lateral tende a desviar para este lado. Um ngulo definido como ngulo de escorregamento criado entre a direo do eixo assumido pelo pneu e a direo de percurso. Este mecanismo representado esquematicamente atravs da Fig. 2.17.

Figura 2.17 Deformao do pneu sob atuao de fora lateral.

O desvio de trajetria no um mecanismo instantneo, mas apresenta um retardo entre a imposio de um novo ngulo do pneu e o incio de sua resposta. Este tempo de atraso ocorre at que as laterais do pneus sejam deformadas. Em mdia este retardo est relacionado entre meia e uma revoluo completa do pneu (Ellis, 1996).


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Os pneus diagonais disponveis at o momento tm tido seu emprego reduzido principalmente em funo do seu comportamento dinmico inferior nas manobras. A sua construo possibilita uma maior deformao da banda de rodagem na regio de contato com o solo, tanto na rodagem em retilneo como durante a realizao de curvas ou solicitaes de esforos laterais mais elevados, quando as laterais ou ombros dos pneu passam a ser utilizados. Ao longo do desenvolvimento dos pneus, a borracha foi o material de base que mais se mostrou adequado, em virtude de suas qualidades sobre o controle do veculo, confiabilidade e durabilidade em condies adversas. Para determinado conjunto de pneu e superfcie, a fora lateral produzida pelo contato com a estrada depende de vrios fatores, mas principalmente da posio relativa entre pneu e a direo de percurso, ngulo de camber, fora vertical, presso de enchimento e a velocidade angular de rodagem. A velocidade linear do veculo pode ser considerada um fator secundrio.

Figura 2.18 - Pneu radial e principais componentes.


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2.3.2 - Construo Os pneus atuais tm sua base na construo da carcaa. Esta moldada em borracha macia para evitar fadiga ao longo da utilizao e reforada com cordoneis e telas dispostos em camadas. A carcaa proporciona tambm o contato e a sua fixao solidria com a roda, evitando deslizamentos radial e transversal. As presses usuais para veculos de passeio variam de 1,6 a 3,0 bar. No emprego em caminhes podem chegar a 9,0 bar. Os cordoneis atualmente empregados so geralmente nylon, Rayon, terylene, ao, fibras de poliester, de vidro ou de carbono. Estes possuem um elevado mdulo de elasticidade, sendo responsveis por suportar as tenses, enquanto a borracha serve de suporte e elemento de vedao para o gs de enchimento. Os materiais so escolhidos em funo das caractersticas mecnicas desejadas e tipos de veculos. A densidade destes materiais varia consideravelmente, variando de 1100 Kg/m3 para o nylon, 2500 Kg/m3 para a fibra de vidro e 7800 Kg/m3 do ao. No lado exterior da carcaa, revestindo todo o permetro do pneu est a banda de rodagem, que a parte de borracha que mantm contato com a estrada. Ela composta por gomos e canais de desenho especfico, com altura tpica de 8 mm quando nova (12 a 14 mm para caminhes), que proporcionam as condies de aderncia, refrigerao e drenagem de gua. medida em que aumentam as velocidades e aceleraes, o mesmo ocorre com a responsabilidade da banda de rodagem. A borracha deve atender s necessidades de pouco desgaste e aderncia nas vrias situaes de uso. As dimenses dos pneus so basicamente definidas em funo do dimetro da roda, a largura da banda de rodagem e a sua altura ou perfil, que definida em porcentagem da sua largura. As relaes normais para veculos de passeio variam normalmente entre 60, 70 e 80%; veculos esportivos entre 30 a 55. As caractersticas de conforto e handling so diretamente afetadas pelo perfil.


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Normalmente reduzindo-se a altura do perfil, perde-se no conforto e melhora-se o desempenho e a velocidade de resposta nas mudanas de direo. A densidade da borracha empregada na construo de pneus est em torno de 1200 Kg/m3, possuindo em sua composio carvo preto e leo, entre os principais. A dureza da borracha geralmente diferente nos vrios componentes constituintes como carcaa, talo, banda de rodagem e flanco. Uma dureza tpica para a banda de rodagem est em torno de 60 Shore A(1). Por outro lado, a borracha, seja ela natural ou sinttica, um material viscoelstico. Isto significa que quando uma pea de borracha deformada, ela reage aplicao desta fora por um determinado momento, em seguida relaxa em funo de seu comportamento viscoso, e em consequncia a fora aplicada diminui. Um modelo simplificado deste comportamento proposto por Dixon (1996) apresentado na Fig.2.19, sendo dependente da frequncia e composto por duas molas dispostas em srie, com rigidezes kt1 e kt2 e um amortecedor ct em paralelo com a mola kt2. Em baixas frequncias, o amortecedor praticamente no afeta o sistema e a rigidez do modelo simplesmente a das duas molas em srie. Em altas frequncias, o amortecedor passa a exercer sua influncia bloqueando a ao da mola kt2, o que leva a rigidez do sistema a ser representada pela atuao nica de kt1. Durante estas duas condies extremas, o sistema dissipa pequenas quantidades de energia. Em condies intermedirias de frequncias, o sistema atinge seu mximo de dissipao de energia.

Figura 2.19 - Modelo mecnico do comportamento da borracha do pneu dependente da frequncia(1) Shore A uma unidade de um mtodo de medio de dureza empregado para borrachas e plsticos macios, onde um pino cnico de ao pressionado contra a pea por uma mola de constrante de rigidez 17,8 N/mm. Cada 0,025 mm de deformao da mola correspondem a 100 Shore.


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2.4 - Cinemtica e Elasto-Cinemtica das Suspenses 2.4.1 - Introduo A Cinemtica descreve os movimentos causados nas rodas durante os

deslocamentos do veculo em linha reta ao longo da estrada com suas irregularidades e tambm nas mudanas de direo. Por sua vez, a elastocinemtica define as alteraes nas posies das rodas causadas pelas foras e momentos entre os pneus e a estrada, ou os movimentos longitudinais das rodas necessrios para evitar alteraes cinemticas. Estas mudanas so resultantes da elasticidade dos componentes das suspenses. Para garantir a estabilidade direcional e prevenir o desgaste excessivo dos pneus, as suspenses so construdas com caractersticas dinmicas especficas e tolerncias de fabricao para os eixos dianteiros e traseiros, de modo que eles no se comportam como componentes rgidos. So utilizadas tambm solues tcnicas que permitem a correo de alguns parmetros de geometria ao longo do uso do veculo, como a convergncia, caster e camber, que podem sofrer alteraes em funo de desgaste ou deformaes. 2.4.2 - Caractersticas dos Eixos

Distncia entre Eixos a medida entre o centro do eixo dianteiro e o centro do traseiro, conforme representado pela letra L na Fig. 2.20, e uma importante varivel no comportamento de handling do veculo. O seu maior comprimento em relao dimenso total do veculo, possibilita uma melhor habitabilidade interna para os ocupantes e reduz a influncia da carga e sua distribuio geral sobre os eixos. Desta maneira, os menores comprimentos de carroceria em balano, alm dos eixos dianteiro e traseiro, minimizam a tendncia de oscilaes longitudinais (pitch), possibilitando o emprego de molas com maior flexibilidade, favorecendo o nvel de conforto. Por outro lado, distncias entre eixos menores diminuem os raios de curvas para os mesmos ngulos de esteramento do volante. A tendncia atual dos projetos a de utilizar os maiores valores possveis de distncia entre


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eixos, sendo limitados pelo tipo de carroceria (sed ou hatchback). A relao s apresentada abaixo pela Eq. (2.5) pode ser usada como referncia para projetos (Reimpell e Stoll, 1996). = 0,60 0,07

s = distncia entre eixos comprimento do veculo

(2.5)

Em linhas gerais, so consideradas as relaes para os diversos modelos: s = 0,57 a 0,67 para os hatch s = 0,56 a 0,61 para verses sed

Figura 2.20 - Representao esquemtica do passo do veculo L, e das bitolas dianteiras e traseiras tf e tr.

Bitola das Rodas Dianteiras e Traseiras As medidas das bitolas das rodas dianteiras e traseiras, representadas esquematicamente pelos smbolos tf e tr da Fig. 2.20, tm uma importante influncia sobre o comportamento em curvas do veculo e o rolamento da carroceria. Elas devem ser as maiores possveis e so limitadas pela largura total do veculo. O eixo dianteiro deve permitir os movimentos de compresso e extenso da suspenso, combinados com os mximos ngulos de esteramento, no devendo os pneus e rodas tocarem em nenhuma parte fixa da caixa de rodas


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ou paralamas. Para os veculos de passageiros, a relao entre a bitola e a largura total do veculo est entre os valores de 0,81 a 0,86 (Reimpell e Stoll, 1996). As alteraes de bitola durante a movimentao da suspenso devem ser consideradas durante a fase de projeto e testadas experimentalmente, visto que principalmente durante a realizao de curvas podem ocorrer a deteriorao da estabilidade direcional e resistncia ao rolamento lateral em funo de modificaes no ngulo de esteramento das rodas dianteriras. Para alguns modelos de suspenso traseira com rodas independentes, podem tambm ocorrer alteraes de convergncia.

Centro de Rolamento (roll) e Eixo de Rolamento Uma importante propriedade das suspenses aquela que define a localizao onde os esforos laterais desenvolvidos nas rodas so transmitidos para a massa suspensa. Este ponto definido como o centro de rolamento afeta o comportamento das massas suspensa e no suspensa, e influencia diretamente o comportamento em curvas. Cada suspenso possui o seu centro de rolamento, que definido como o ponto no plano transversal vertical que passa atravs do centro da roda, sobre o qual as foras laterais podem ser aplicadas para a massa suspensa sem existir ainda movimento de rolamento da suspenso. Isto se deve ao fato de que a movimentao do veculo nas diversas condies de realizao de manobras, ou alterao da carga e sua distribuio, alteram o ponto geomtrico da altura do centro de rolamento. Portanto, a altura do centro de rolamento definida como sendo a distncia do solo ao centro de roll. Uma vez determinados os centros de rolamento individuais das suspenses dianteira e traseira, chega-se definio do eixo de rolamento como sendo a linha de ligao entre os centros dianteiro e traseiro, conforme representado na Fig. 2.21. O eixo de rolamento representado no veculo da figura mostra um valor instantneo, calculado com o veculo esttico sem o carregamento de passageiros e cargas laterais. Do ponto de vista dinmico procura-se obter uma linha de eixo de rolamento o mais elevada possvel, prxima


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ao centro de gravidade do veculo, visando minimizar a tendncia de inclinao da carroceria durante as curvas e manobras com acelerao lateral.

Figura 2.21 - Definies dos centros e eixo de rolamento.

Procura-se tambm que o eixo de rolamento seja o mais horizontal possvel, para conseguir uma alterao mais homognea de foras sobre as rodas dos eixos dianteiro e traseiro durante a realizao de curvas, proporcionando uma reao mais neutra do veculo.


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Figura 2.22 - Alturas do centro de rolamento hr de uma suspenso McPherson em duas bitolas de comprimentos diferentes.

A

suspenso dianteira do veculo de teste uma McPherson, conforme o

esquema mostrado na Fig. 2.22. Uma anlise da figura mostra que a altura do centro de rolamento neste modelo de suspenso pode ser modificada alterando a largura da bitola, as inclinaes do brao de articulao inferior e da linha que liga a fixao inferior e superior do amortecedor. Em contraste com as suspenses dianteiras, as traseiras geralmente possuem somente um brao de controle para cada lado, e sua inclinao define a altura do centro de rolamento. Se o eixo de rotao est posicionado horizontalmente no eixo, as rodas movem-se verticalmente e o centro de rolamento est no nvel do solo. Para a condio onde os braos longitudinais esto inclinados, conforme esquema da Fig. 2.23, o centro de rolamento definido pelo ponto de cruzamento das retas que ligam os pontos das articulaes dos lados direito e esquerdo ao solo.

Captulo 2 Reviso Bibliogrfica Figura 2.23 - Alturas do centro de rolamento h de suspenso traseira com braos longitudinais e travessa.

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Camber (Inclinao Lateral das Rodas) definido como sendo o ngulo formado entre o plano vertical que passa pelo centro da roda e o plano vertical em relao ao solo, conforme mostrado na Fig. 2.24. convencionado positivo quando a parte superior da roda est para fora do plano, e negativo quando est para dentro. A recomendao para veculos de passageiros que o camber tenha valores ligeiramente positivos na condio de meia carga, (dois a trs ocupantes), com ngulos variando de 5 a 10 para diminuir a resistncia ao rolamento e aumentar a vida til do pneu, visto que so facilmente encontradas estradas ligeiramente curvadas. No entanto, esta regra no tem sido muito observada, com o objetivo de melhorar a aderncia dos pneus e favorecer as caractersticas de handling necessrias aos veculos modernos. J so utilizados valores negativos mesmo com o veculo vazio em local plano, estando entre 0 e 1 20 (Reimpell e Stoll, 1996).

Figura 2.24 - ngulo de camber em relao a terra. Convencionado positivo quando a parte superior do plano da roda est para fora da linha vertical.

Alm do valor nominal do camber, a tolerncia importante para estabelecer os valores de disperso e limitar as diferenas entre as rodas esquerda e direita. O valor de 30 usual para a grande maioria dos carros, e razovel para garantir a fabricao econmica dos componentes da suspenso, principalmente a do eixo


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dianteiro. Na Figura 2.25 observa-se um grfico sobre o comportamento de desgaste da banda de rodagem dos pneus, quando so gradativamente aumentados negativa ou positivamente os ngulos de camber.

Figura 2.25 - Estudos mostram que camber positivo entre 5 e 10, proporcionam maior durabilidade do pneu. Valores positivos aceleram desgaste do lado externo e negativos do lado interno.

O ngulo de camber sofre tambm alteraes cinemticas em funo dos movimentos verticais de compresso e extenso dos braos da suspenso, e da inclinao da carroceria. Uma desvantagem das suspenses independentes justamente que as rodas acompanham o rolamento da carroceria, ou seja, a roda do lado da inclinao caminha para um valor mais positivo relativamente ao solo, e provoca uma indesejada perda de aderncia justamente do pneu que est com a carga aumentada. Para compensar este efeito dinmico durante o rolamento, a geometria da suspenso projetada para que as rodas tenham mais camber negativo durante a compresso e mais positivo durante a extenso. O comportamento da suspenso dianteira de dois modelos de veculos graficamente representado na Fig.2.26 (Reimpell e Stoll, 1996).


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Convergncia A convergncia esttica definida como sendo o ngulo obtido durante a medio do veculo sem os ocupantes, entre o plano que passa pelo centro do veculo na direo longitudinal, e a linha que intercepta o plano central de uma roda com o plano da estrada.

Figura 2.26 - Curva de variao do ngulo de camber das rodas dianteiras de veculos com suspenso McPherson (BMW), e o de duplo leque do Honda Accord.

A representao esquemtica da convergncia mostrada na Fig.2.27, que pode ser representada por um ngulo ou medida linear. Os valores so convencionados positivos quando a parte anterior da roda mais voltada para dentro. Deste modo, se as rodas esto mais abertas na parte anterior em relao ao sentido de


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marcha, negativa ou tambm chamada de divergente. O ngulo total de convergncia a soma dos ngulos das rodas esquerda e direita. Por outro lado, o seu valor em milmetros calculada pela diferena (b c) da Fig. 2.27, medidas nas bordas perifricas internas das rodas, na linha de centro dos eixos, das partes dianteira e traseira.

Figura 2.27 - A convergncia total das rodas r a diferena entre as medidas b e c. Tambm pode ser identificada pela soma dos ngulos f das rodas esquerda e direita.

Os pneus girando em linha reta com convergncia igual a zero possuem o menor desgaste e resistncia ao rolamento. Porm, nas aplicaes reais a prpria movimentao das rodas gera uma fora de resistncia ao rolamento FR, que atua no centro da rea de contato dos pneus, e que devem ser absorvidas pelos braos da direo e geralmente provocam alterao de convergncia, conforme Fig. 2.28.


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Figura 2.28 - A resistncia ao rolamento provoca uma fora longitudinal FR, em sentido contrrio ao movimento e efeito divergente.

Em virtude das movimentaes elsticas dos braos da suspenso quando submetidos movimentao e esforos, visto que so ligados nas extremidades atravs de coxins de borracha, a convergncia ajustada com o veculo parado com valores que sero alterados durante o movimento. Para as desaceleraes, frenagens e foras de atrito de rolamento, a convergncia geralmente colocada positiva nas rodas dianteiras. Nos veculos com trao dianteira, que j so a maioria entre os carros pequenos e mdios de passageiros, as foras de trao direcionadas de trs para frente conforme representado na Fig. 2.29, tornam benfica a adoo de valores negativos de convergncia esttica.

Captulo 2 Reviso Bibliogrfica Figura 2.29 - Nos veculos de trao dianteira, a fora de trao provoca aumento de convergncia.

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Alm dos valores nominais de convergncia, so especificadas tambm tolerncias que juntamente com os mecanismos de regulagem, permitem correes dos valores a custos reduzidos para o produto. Os valores usuais para as rodas dianteiras de veculos de passageiros so (Reimpell e Stoll, 1996): - veculos com trao traseira: - veculos com trao dianteira: f = +15 10 f = 0 10

Alguns modelos de suspenso traseira, como por exemplo a McPherson e duplo leque, permitem o ajuste pela alterao do comprimento dos braos. A configurao de braos longitudinais e travessa do veculo de testes no permite regulagem. Nos projetos, so consideradas as alteraes cinemticas de convergncia em funo dos movimentos de compresso e extenso das rodas, alm dos j mencionados valores nominais estticos e alteraes devidos aos coxins de borracha das articulaes. Estas consideraes devem ser feitas visando garantir um bom comportamento dinmico do veculo.


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Figura 2.30 - Variao de convergncia das rodas dianteiras de um veculo GM Corsa, em funo do curso da suspenso. Verifica-se a caracterstica de sub-estero em roll.

Em uma das aplicaes prticas, a convergncia das rodas dianteiras sofre alteraes programadas durante a realizao de curvas com rolamento da carroceria. A roda comprimida diminui a convergncia, enquanto que a de extenso aumenta. Desta maneira, o ngulo de esteramento reduzido e a tendncia normal do sobre-estero do veculo durante estas manobras minimizada, proporcionando uma melhora da progressividade de resposta s alteraes de direo. Este efeito demonstrado no grfico da Fig. 2.30. Tambm visando um comportamento mais neutro e previsvel, as deformaes elsticas sofridas pelos componentes da suspenso dianteira sob esforos laterais, geralmente o ngulo de esteramento reduzido dinamicamente. Por sua vez e

trabalho mestrado-suspensão01

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