Dinâmica e afinação de uma viatura de competição

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1 Dinâmica e afinação de uma viatura de competição Pedro Jorge Ferreira Espinheira Rio Relatório do Projecto Final / Dissertação do MIEM Orientador na Toyota Caetano Portugal, S.A.: Eng.º João Pedro Marques Orientador na FEUP: Eng.º José Ferreira Duarte Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro 2009

2 Pelo desporto automóvel i

3 Abstract This report is the result of the cooperation between Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto and the company Toyota Caetano Portugal, SA that consisted in a training period of 5 months. This training was part of the final Project of the Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica of the Faculdade de Engenharia of Universidade do Porto (FEUP), in the option of Produção Desenvolvimento e Engenharia Automóvel. The project developed with the company was called Dinâmica e Afinação de uma Viatura de Competição and consisted in the study and development of a car s dynamic behavior. The vehicle studied was the Toyota Starlet KP62 from 1981 that will participate in the Campeonato de Portugal de Clássicos 1300 (Circuitos) and Taça de Portugal de Clássicos 1300 (Circuitos), competitions of classic cars organized by Federação Portuguesa de Automobilismo e Karting (FPAK). This study was taken in several areas of the vehicle particularly in suspensions geometry, Center of Gravity, Instant Centers of Rotation, Roll Centers, weight transfer, springs, shock absorbers and anti-roll bars of the suspension system, and the alignment of the vehicle wheels. ii

4 Resumo O presente trabalho é o resultado da cooperação entre a Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto e a empresa Toyota Caetano Portugal, SA sob a forma de um estágio de 5 meses no âmbito da disciplina de Projecto do 5º ano do Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP), na opção de Produção Desenvolvimento e Engenharia Automóvel. O projecto desenvolvido na empresa foi intitulado por Dinâmica e Afinação de uma Viatura de Competição e tem como objectivo o estudo e melhoramento do comportamento dinâmico de um automóvel. O veículo objecto de estudo foi o Toyota Starlet KP62 de 1981, automóvel que irá participar no Campeonato de Portugal de Clássicos 1300 (Circuitos) e na Taça de Portugal de Clássicos 1300 (Circuitos), competições organizadas pela Federação Portuguesa de Automobilismo e Karting (FPAK). Este estudo incidiu em diversas características do veículo em especial na geometria das suspensões, Centro de Gravidade, determinação dos Centros Instantâneos de Rotação, determinação dos Centros de Rolamento, transferências de massa, molas, amortecedores e barras estabilizadoras do sistema de suspensão e alinhamento das rodas do veículo. iii

5 Agradecimentos Ao meu orientador Eng. José Ferreira Duarte pela dedicação e trabalho realizado na implementação do estudo automóvel na FEUP, e na orientação deste trabalho. Ao meu orientador na Toyota Caetano Portugal, SA Eng. João Pedro Marques pela oportunidade de estágio assim como pela forma como me recebeu na empresa. Ao meu amigo e colega de curso Luís Costa pela ajuda na elaboração deste relatório. Aos meus amigos e colegas de curso Pedro Fernandes, Cristiano Amaro, João Guimarães. Aos funcionários da Toyota Caetano Portugal Departamento de Competições pela forma como sempre me trataram na duração do período de estágio. A todos aqueles que directa ou indirectamente lutam pela consolidação do estudo automóvel na FEUP. Á minha família e á Patrícia pelo apoio que sempre me deram quer na realização deste trabalho, assim como na minha devota paixão pelos automóveis. iv

6 Índice 1. Introdução A empresa História da empresa Missão Departamento de Competições Objectivos do trabalho Temas abordados Plano de trabalho Revisão bibliográfica Dinâmica do veículo Subviragem, Sobreviragem e Comportamento Neutro Slip angle Aderência dos Pneus Classificação dos movimentos do veículo Heave Pitch Roll Warp Factores que influenciam o comportamento dinâmico Suspensão Movimentos da suspensão Molas e barras estabilizadoras Amortecedores Largura de vias Distância entre eixos Localização do Centro de Gravidade Distribuição de massas Centros instantâneos de rotação Centros de rolamento Transferência lateral de massas Geometria da direcção Camber, Caster e Toe v

7 3.7. Setup Caso de estudo Descrição da viatura Enquadramento do projecto Análise Inicial Setup Inicial Sessão de Testes Prova de Resistência Análise Dinâmica Distribuição de massas Massa Suspensa e massa não suspensa Centro de Gravidade Levantamento geométrico da suspensão Centros de Rolamento Molas Amortecedores Transferência de massas Previsão comportamento Alterações propostas Simulação Computacional Discussão de Resultados Conclusão Propostas futuras ANEXOS vi

8 Índice de tabelas Tabela 1 Calendário das provas pontuáveis para o Campeonato de Portugal de Clássicos 1300 (Circuitos) Tabela 2 Calendário das provas pontuáveis para a Taça de Portugal de Clássicos 1300 (Circuitos) Tabela 3 Localização do centro de gravidade Tabela 4 Localização geométrica dos pontos da suspensão frente esquerda Tabela 5 Localização geométrica dos pontos da suspensão traseira esquerda Tabela 6 Centro de rolamento da suspensão da frente Tabela 7 Centro de rolamento da suspensão traseira Tabela 8 Ensaio da mola da frente Tabela 9 Ensaio da mola traseira Tabela 10 Transferência de massas, aceleração lateral de 1 g Tabela 11 Transferência de massas, aceleração lateral de 1,2 g Tabela 12 Molas da frente para uma aceleração lateral de 1 g Tabela 13 Molas traseiras para uma aceleração lateral de 1 g Tabela 14 Amortecedores da frente para uma aceleração lateral de 1 g Tabela 15 Amortecedores traseiros para uma aceleração lateral de 1g Tabela 16 Molas da frente para uma aceleração lateral de 1,2 g Tabela 17 Molas traseiras para uma aceleração lateral de 1,2 g Tabela 18 Amortecedores da frente para uma aceleração lateral de 1,2 g Tabela 19 Amortecedores traseiros para uma aceleração lateral de 1,2 g vii

9 Índice de figuras Figura 1 Metodologia para a evolução do comportamento de um veículo Figura 2 Sobreviragem Figura 3 Subviragem Figura 4 Slip angle Figura 5 Sistema de eixos do pneu segundo a SAE, principais forças e momentos existentes, direcção do pneu e slip angle Figura 6 Cornering force e side force no pneu Figura 7 Cornering force e slip angle para vários tipos de pneu Figura 8 Relação entre lateral force e slip angle para diferentes cargas verticais num pneu Figura 9 Coeficiente de atrito em função da carga vertical no pneu Figura 10 Relação entre força lateral e carga vertical para diferentes slip angle no pneu Figura 11 Aderência do pneu em função da temperatura (240 ºF = 115,5 ºC) Figura 12 Aderência em função da pressão do pneu Figura 13 Relação entre velocidade, coeficiente de atrito e tipo de piso Figura 14 Sistemas de eixos do veículo segundo a SAE e classificação dos movimentos segundo os eixos Figura 15 Movimento de heave Figura 16 Movimento de pitch Figura 17 Movimento de roll Figura 18 Movimento de warp Figura 19 Hotchkiss live axle Figura 20 Rear dead axle Figura 21 Eixo rígido com four link Figura 22 Trailing arm Figura 23 Double wishbone Figura 24 Estrutura McPherson Figura 25 Detalhes e parâmetros das molas helicoidais de compressão Figura 26 Acabamentos típicos das molas helicoidais de compressão Figura 27 Suspensão sem resistência ao roll Figura 28 Suspensão com resistência ao roll Figura 29 Constante elástica k de uma barra estabilizadora em aço de secção circular viii

10 Figura 30 Esquema de funcionamento de um amortecedor hidráulico Figura 31 Teste a um amortecer ao bump (força positiva) e rebound (força negativa), para várias velocidades Figura 32 Amortecedor a gás regulável Figura 33 Modelo simplificado de uma suspensão, sistema amortecido Figura 34 Largura da via da frente Figura 35 Largura da via da traseira Figura 36 Distância entre eixos Figura 37 Localização centro de gravidade Figura 38 Localização no plano horizontal do CG Figura 39 Procedimento para o cálculo da altura do CG Figura 40 Conceito de Centro Instantâneo de Rotação Figura 41 Conceito de Eixo Instantâneo de Rotação Figura 42 Centro instantâneo de rotação na vista frontal, McPherson Figura 43 Centro instantâneo de rotação numa estrutura McPherson Figura 44 Localização do centro instantâneo de rotação num eixo rígido com four link Figura 45 Centros e eixo de rolamento no veículo Figura 46 Localização do centro de rolamento, suspensão McPherson Figura 47 Localização do centro de rolamento, eixo rígido com four link Figura 48 Ângulos de camber, caster e toe Figura 49 Camber positivo e camber negativo Figura 50 Relação entre camber e aderência do pneu Figura 51 Ângulo de caster Figura 52 Determinação do toe Figura 53 Dois Toyota Starlet da Salvador Caetano, categoria B Figura 54 Joaquim Moutinho no Circuito de Vila do Conde em Figura 55 Chassis do Toyota Starlet Figura 56 Vista traseira do veículo Figura 57 Compartimento do motor Figura 58 Fase final de montagem Figura 59 Braços traseiros Figura 60 Braço com regulação de camber Figura 61 Braço com regulação de caster ix

11 Figura 62 Alinhamentos iniciais Figura 63 Temperatura dos pneus Michelin após 5 voltas, piloto João Ramos Figura 64 Temperatura dos pneus Michelin após 10 voltas, piloto João Ramos Figura 65 Temperatura dos pneus Michelin após 4 voltas, piloto João Barbosa Figura 66 Temperatura dos pneus Avon após 6 voltas, piloto João Barbosa Figura 67 Temperatura dos pneus Avon após 5 voltas, piloto João Barbosa Figura 68 Alinhamentos para a prova de resistência Figura 69 Distribuição de massas, veículo a seco Figura 70 Distribuição de massas, veículo com 5 litros de combustível Figura 71 Distribuição de massas, veículo com 10 litros de combustível Figura 72 Distribuição de massas, veículo com 15 litros de combustível Figura 73 Distribuição de massas veículo sem combustível e com piloto de 84 kg Figura 74 Distribuição de massas, massa suspensa e não-suspensa do veículo Figura 75 Linha longitudinal definida no chassis Figura 76 Linha transversal de referência para o eixo da frente Figura 77 Linha transversal de referência para o eixo traseiro Figura 78 Sistema de eixos adoptado Figura 79 Vista de frente da suspensão dianteira no Susprog 3D Figura 80 Vista lateral da suspensão dianteira no Susprog 3D Figura 81 Vista de trás da suspensão traseira no Susprog 3D Figura 82 Vista lateral da suspensão traseira no Susprog 3D x

12 1. Introdução No âmbito da disciplina de Projecto do 5º ano do Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP), na opção de Produção Desenvolvimento e Engenharia Automóvel, foi realizado um projecto em empresa na Toyota Caetano Portugal, SA do grupo Salvador Caetano durante um período de 5 meses. O projecto foi intitulado de Dinâmica e Afinação de Uma Viatura de Competição, e teve orientação do Eng.º João Pedro Marques por parte da empresa, e pelo Prof. José Ferreira Duarte por parte da Faculdade A empresa A Toyota Caetano Portugal - S.A. (até ao final de 2006 com a designação Salvador Caetano IMVT-SA), foi fundada em 1946, com a visão de um jovem de apenas 20 anos que transformou a empresa num grupo sólido. Actualmente desenvolve a sua actividade em Vila Nova de Gaia onde está representada a área comercial (importação de automóveis ligeiros comerciais e de passageiros Toyota; importação e comercialização de peças e assistência técnica; importação, comercialização e assistência pós-venda de máquinas de movimentação de cargas (Toyota); distribuição, comercialização e assistência pós-venda de miniautocarros Caetano (Toyota) em Portugal; e em Ovar montagem de mini-autocarros (Caetano); montagem de comerciais ligeiros Toyota (Dyna e Hiace); incorporação de componentes em veículos comerciais. O grupo Salvador Caetano está actualmente concentrado numa holding designada por Grupo Salvador Caetano, SGPS, SA, e tem um turnover superior a 1.5 bilião de Euros. É responsável por mais de postos de trabalho, distribuídos por diversos países (além de Portugal): Reino Unido, Moçambique, Espanha, Alemanha, Cabo Verde e Angola. O Grupo Salvador Caetano (SGPS), SA, é a empresa mãe que controla o Grupo e é responsável pela gestão das participações, bem como na definição da estratégia e na coordenação de todas as actividades de negócio, sendo constituído por três grandes unidades de negócio, organizadas por três sub-holdings: Toyota Caetano Portugal S.A., que agrega o negócio industrial e da representação automóvel Toyota; A sua actividade económica está focada na gestão importação Toyota, na fabricação e exportação para Europa do modelo comercial Toyota Dyna, bem como na produção de miniautocarros Caetano Óptimo. Salvador Caetano Auto (SGPS), S.A., que agrega, o negócio de retalho automóvel multimarca para o mercado ibérico; 1

13 Representa o forte investimento que o Grupo tem vindo a efectuar no retalho automóvel com o objectivo de ser líder no retalho multimarca ao nível da Península Ibérica, através de um crescimento sustentado assente num plano de aquisições e joint ventures, pelo que, em Portugal e em Espanha, comercializa as mais diversas marcas automóveis: Alfa Romeo, Audi, BMW, Chevrolet, Chrysler, Citroen, Dacia, Daihatsu, Doge, Fiat, Ford, Honda, Hyundai, Jeep, Kia, Lancia, Lexus, Mazda, Mercedes-Benz, Mini, Nissan, Opel, Peugeot, Renault, Seat, Skoda, Smart, Ssangyong, Subaru, Tata, Toyota, Volkswagen. Salvador Caetano.Com (SGPS), S.A., que constitui o negócio na área das tecnologias de informação. Sub-holding que concentra a actividade do grupo na área das Tecnologias da Informação através da aquisição de participações sociais estratégicas que permitam o fornecimento de soluções verticais a diferentes sectores de actividade, que vão desde o sector automóvel às comunicações e Internet. Detém ainda três empresas na unidade de negócios da indústria: Caetano Bus, SA: produção de Autocarros COBUS e CAETANO para todo o mundo, (esta empresa resulta de uma joint-venture com a Evobus (do Grupo Daimler Chrysler)). Caetano Coatings, SA, especializada no tratamento de superfícies, protecção de aço e betão e pinturas e lacagem de componentes automóveis; IPE, SA,: produção de componentes para indústria automóvel; O Grupo Salvador Caetano, apesar do longo caminho que percorreu desde 1946 até aos dias de hoje, continua determinado em crescer, e seguindo sempre de perto o lema do seu Fundador, o Sr. Salvador Caetano sempre presente na construção do futuro, está de olhos postos no novo século, determinado a afirmar-se no contexto da exigente Comunidade Europeia e da globalização do mercado mundial. A Salvador Caetano, pretender ter uma Missão sempre assente no posicionamento líder do mercado onde trabalha: Assumimos a nossa responsabilidade e o equilíbrio em todos os momentos da nossa actuação, através da inovação e melhoria constante dos nossos produtos e serviços, sustentados em bons relacionamentos e em justas propostas de valor. O grupo referência que os seus principais valores são: Confiança; Solidez; Evolução; Responsabilidade; Relacionamento; 2

14 1.1.1 História da empresa 1946: Fundação da empresa "Martins, Caetano & Irmão, Lda.", fabrica de carroçarias para autocarros, que foi o embrião da Salvador Caetano. 1967/1968: Surge o primeiro contracto de exportação de autocarros para Inglaterra. Torna-se distribuidor exclusivo Toyota em Portugal. (Automóveis e Empilhadores). 1971: Inaugurada a 1ª unidade Fabril de Ovar para montagem de automóveis, e dez anos depois viria a atingir a montagem de 100 mil viaturas; 1972: Constituída a rede de concessionários Toyota em Portugal 1981: Fundada a holding da família Caetano - Fogeca SGPS, SA (actualmente Grupo Salvador Caetano SGPS). 1982: Aquisição da Baviera e a representação da marca BMW. 1999: O grupo Salvador Caetano, através da subholding Fogeca Multiauto (actualmente Salvador Caetano Auto SGPS) constitui um Grupo de empresas, para venda de automóveis usados em megastores, aluguer de viaturas, gestão de frotas e centros de serviços rápidos. 2002: Desenvolvimento do conceito multimarca em Espanha. Joint venture com a DaimlerChrysler para a produção de autocarros para o mercado europeu. 2003: Inicio da operação de retalho em Espanha através da aquisição de concessionários Mercedes-Benz no Sul de Espanha (Andaluzia). 2004: Aquisição do Grupo Interestoril, concessionários Volkswagen, Seat e Skoda no Estoril. Desenvolvimento do conceito multimarca no distrito do Porto. Reforço da operação de retalho em Espanha através da aquisição de um concessionário multimarca no Norte da Galiza. 2005: Aquisição do Grupo VDR - concessionários Volkswagen, Audi e Skoda, no distrito de Aveiro. Reforço da operação de retalho em Espanha através da Cuzco Motors, concessionário BMW e MINI em Madrid. Aquisição do Grupo Setucar (concessionários Peugeot, Audi, Volkswagen e Mazda no distrito de Setúbal). 2006: Reforço da estratégia de retalho automóvel em Espanha com a aquisição da Reicomsa, empresa afiliada da Nissan em Madrid, tendo a Nissan nomeado o Grupo Salvador Caetano responsável pela área NW de Madrid. Aquisição do Grupo Quer, com uma rede de concessionários Opel, Honda e Mazda em Madrid. 3

15 2007: Inicio das operações de retalho na Catalunha e em Granada. 2008: A Renault passa a fazer parte do lote de marcas disponíveis do Grupo Salvador Caetano com a integração dos concessionários Autogarme e Stand Clemente Missão No que diz respeito a Visão, a Salvador Caetano pretende ser a referência em todos os mercados Acreditamos que a solidez das nossas relações garante negócios de sucesso Departamento de Competições Há mais de duas décadas que a Salvador Caetano/ Toyota Portugal está envolvida oficial e activamente no desporto automóvel nacional. Uma história de novos valores, muita emoção e constantes vitórias. Desde os ralis, passando pela velocidade, autocross e todo-o-terreno. Uma paixão assumida pelos mais altos responsáveis da empresa e também pelas muitas pessoas que integram a equipa de funcionários. Uma aposta que tem redundado em sucesso, não só pelo rigor e consistência dos resultados alcançados, mas também pela convicção de que o desporto automóvel é o cenário perfeito para promover, divulgar e comprovar a tradicional fiabilidade e competitividade da Toyota. Como forma de satisfazer o desejo da empresa em levar a Toyota de forma oficial até ao desporto automóvel, foi criado em 1981 o departamento de competições, departamento esse que é responsável pela preparação, manutenção e desenvolvimento das viaturas de competição oficiais da empresa e ainda organização, regulamentação e desenvolvimento dos troféus Toyota Os factos mais marcantes ª época de envolvimento no Automobilismo Nacional. Apoio semi-oficial ao Team Dalva para o CNV. Incentivos aos privados com Toyota Início do projecto Toyota Starlet nos Ralis Criação da equipa oficial Salvador Caetano/Toyota Campeonato e Vice-Campeonato Nacionais de Velocidade (Agrup. B1). 4º Lugar Absoluto no Campeonato Nacional de Ralis Campeonato, Vice-Campeonato e 3º lugar no Nacional de Velocidade (Agrup. B1). 3º Lugar Absoluto, 1º Grupo 2, no Campeonato Nacional de Ralis. 1º Ano do Troféu Starlet. 4

16 1984 Campeonato Nacional de Ralis/Turismo e Vice-Campeonato Absoluto Campeonato Nacional e Vice-Campeonato de Ralis/Turismo. 1ª Época do Troféu Starlet para Iniciados. 1ª Época do Troféu Corolla Campeonato Nacional de Ralis/Turismo Campeonato Nacional de Ralis Absolutos. Campeonato Nacional de Autocross Campeonato Nacional de Autocross Campeonato Nacional de Velocidade e Super-turismo. Vice-Campeonato Nacional de Ralis Iniciados ª Época do Troféu Carina E Campeonato Nacional de Todo-o-Terreno 1º Diesel a vencer uma prova da Taça do Mundo de TT Campeonato Nacionais de Ralis Campeonato Nacional de Marcas. Campeonato Nacional de Todo-o-Terreno (Agrup. T2) 2000 Campeonato Nacional de Ralis. Campeonato Nacional de Marcas. Campeonato Nacional de Todo-o-Terreno (Agrup. T3). 1ª Época do Yaris Cup ª Época de envolvimento na Taça FIA de Bajas de Todo-o-Terreno. 1ª Época da Taça T-Sport Arranque do projecto Toyota RAV4 Proto para Todo-Terreno. 5

17 2. Objectivos do trabalho Este estudo tem como objectivo a análise, compreensão e desenvolvimento da dinâmica e afinação de chassis de uma viatura de competição automóvel existente na Toyota Caetano Portugal. Assim, pretende-se perceber quais as variáveis que afectam o desempenho dinâmico da viatura e a sua relação com a performance em competição. O fundamento da competição automóvel é promover uma simbiose entre o homem e a máquina capaz de percorrer um dado trajecto mais rápido do que qualquer outra combinação, desta forma a dinâmica e afinação de chassis surge como uma disciplina que pretende explorar todas a capacidades e potencialidades do veículo tendo em vista um melhor desempenho dinâmico, ou seja, obter o máximo de aceleração na direcção pretendida. Para se atingir esse patamar teremos que considerar as soluções adoptadas na construção do veículo e promover uma adaptação destas á capacidade, qualidade e experiência do piloto. Teremos que admitir que o automóvel é apenas umas ferramenta para o piloto, pelo que um dado setup de afinação pode não ser o mais favorável para que todos os pilotos consigam levar ao limite quer as suas capacidades quer as capacidades da viatura, pelo que este trabalho de dinâmica e afinação de chassis não deve ser compreendido como definitivo e inquestionável, mas como forma de conseguir uma boa base dinâmica para poder ser facilmente analisada e evoluída pelo piloto e equipa técnica. O objectivo final deste estudo será um aumento da capacidade do veículo em transmitir a energia gerada pelo seu propulsor para o solo, em linha recta e principalmente em curva. Procura-se assim um melhor comportamento do veículo e handling, característica essa que está directamente ligada á forma como as forças em análise vão ser transmitidas aos pneus do veículo que por sua vez dependem dos itens que vão ser objecto de estudo. 2.1 Temas abordados Neste estudo serão abordados os seguintes temas relacionados com o comportamento global do veículo: Avaliação geral da viatura; Funcionamento da geometria das suspensões; Posição do Centro de Gravidade; Determinação dos Centros Instantâneos de Rotação; Determinação dos Centros de Rolamento; Cálculo da transferência de massas; Avaliação das características das molas, amortecedores e barras estabilizadoras; Alinhamento das rodas; Afinação de suspensões; Adaptação do veículo ao piloto. 6

18 2.1.1 Plano de trabalho Na Figura 1 pode identificar-se a metodologia necessária a uma correcta abordagem à afinação do comportamento de um veículo. Sessão de testes Simulação Computacional Testes em pista Alteração Setup Molas, amortecedores, barras estabilizadoras Alinhamentos Distribuição de massas etc. Recolha e Análise de dados Alinhamentos Pressão/Temperatura e desgaste dos Pneus Tempos por volta Trade-offs Relacionamento entre variáveis Alterações propostas Previsão resultados Avaliação Dinâmica Centro de Gravidade Distribuição de massas Transferência de massas Características da Suspensão Figura 1 Metodologia para a evolução do comportamento de um veículo. Esta metodologia assenta, como se pode observar na figura 1, num processo iterativo que vai desde os necessários testes em pista para validação de alterações até estudos teóricos de interpretação de resultados tendo em vista uma nova configuração final de afinações e resultados mais satisfatórios. 7

19 3. Revisão bibliográfica Neste capítulo serão abordados alguns conceitos teóricos necessários á compreensão e definição do comportamento automóvel. Nos capítulos seguintes serão usados diversos termos em inglês, uma vez que o estudo dinâmico do automóvel teve a sua origem no Reino Unido. Assim, existem termos técnicos inerentes ao estudo do automóvel que só fazem sentido quando usados na sua nomenclatura original, pelo que tentaremos descrevê-los o quanto possível. 3.1 Dinâmica do veículo Antes de abordarmos a dinâmica do automóvel, pormenores de construção e conceitos chave, surge a necessidade de definir de que modo se pode expressar o comportamento de um veículo e o significado de handling. A performance de um veículo os movimentos de aceleração, travagem e comportamento em curva é uma resposta às forças em acção, pelo que a maior parcela do estudo dinâmico de um veículo passa pelo estudo da origem e efeitos dessas forças. As forças, principal objecto deste estudo, são desenvolvidas no contacto dos pneus com o solo, por esse motivo é essencial perceber e interpretar o comportamento dos pneus, caracterizado pelas forças e momentos gerados segundo um elevado número de situações distintas nas quais estes operam. Frequentemente é usado o termo handling para descrever o comportamento dinâmico de um veículo a curvar, a evitar um obstáculo ou simplesmente como resposta a uma acção do piloto, no entanto existem algumas diferenças na definição destes dois termos. A forma como o veículo se comporta nas mudanças de direcção ou em curva apenas depende da capacidade do veículo suportar a aceleração lateral resultante de cada manobra. Por exemplo, a capacidade de descrever uma determinada curva pode ser quantificada pela quantidade de aceleração lateral que o veículo consegue suportar de uma forma estável, ou a resposta a um movimento do volante pode ser medida pelo tempo necessário à resposta do veículo a esse estímulo. Por outro lado, o handling acrescenta a estas características a capacidade do veículo conseguir transmitir ao piloto esse comportamento facilitando a sua tarefa e permitindo que este mais facilmente consiga manter o controlo do veículo. O handling implica, desta forma, não apenas a capacidade do veículo responder a uma solicitação mas a combinação de performances do piloto e veículo. [1] O prazer de condução é assim a forma como o piloto utiliza ao máximo o handling de uma viatura nas mais diversas situações, permitindo explorar todas as potencialidades do automóvel de forma segura e natural. A frase o homem e a máquina unidos num só é a melhor forma de descrever um bom handling e assim todas as intenções do piloto são precisamente obedecidas pela viatura, e as reacções da viatura totalmente previstas pelo piloto, dentro dos limites da física. 8

20 3.2 Subviragem, Sobreviragem e Comportamento Neutro Quando uma viatura é testada ao seu limite de aderência surgem tendências no seu comportamento que podem ser de sobreviragem (ver Figura 2), subviragem (ver Figura 3) ou um comportamento neutro (oversteer, understeer e neutral steer, respectivamente), que dependem do tipo de solicitação e estão relacionados com o slip angle (ver ponto 3.3) e perda de aderência nos pneus. [2] Figura 2 Sobreviragem. Figura 3 Subviragem. Desta forma, um veículo sobrevirador apresenta slip angle superior nas rodas traseiras comparativamente com as dianteiras e o inverso desta situação representa a característica subviradora. O desenvolvimento de slip angle nos pneus resulta das forças neles aplicados, pelo que essas forças estão relacionadas entre outros com o ângulo de direcção imposto, velocidade do veículo, geometria da suspensão e transferência de massas. [3] 3.3 Slip angle O slip angle, Figura 4, surge em curva devido á distorção que o pneu sofre devido á força lateral nele aplicada e refere-se ao ângulo existente entre a área de contacto do pneu com o solo ( pegada do pneu) e o seu eixo longitudinal, devido às propriedades elásticas da borracha que o constitui. [4] Direcção da jante Slip angle Direcção do pneu Figura 4 Slip angle. 9

21 Pode dizer-se que o slip angle é o ângulo existente entre o eixo longitudinal do pneu e a direcção real para a qual ele se desloca. Para uma melhor performance o automóvel não deve demonstrar forte tendência para sobrevirar nem subvirar, pelo que o comportamento ideal deve estar compreendido entre estas duas características comportamento neutro ou neutral steer,, ou seja, quando os quatro pneus da viatura desenvolvem slip angle idênticos. [5] Nos capítulos seguintes serão abordados outros aspectos relacionados com a definição deste ângulo com o recurso a alguns exemplos. 3.4 Aderência dos Pneus Os pneus fazem o contacto do veículo com o solo pelo que o controlo da aderência ao piso é um factor fundamental para se alcançarem boas performances. A capacidade do pneu aguentar as forças resultantes dos movimentos do veículo está directamente relacionada com a área de contacto do pneu com o solo em cada instante. Dessa forma, poderia pensar-se que quanto mais largo fosse o pneu melhor seria o comportamento da viatura. Esta situação não é verdadeira porque um pneu demasiadamente mente largo para um determinado veículo irá traduzirpelo que o veículo teria grande dificuldade em acelerar em linha recta. Desta forma, surge a necessidade de se se numa exagerada resistência ao deslocamento (rolling resistance) estabelecer um compromisso entre a área contacto do pneu com o solo e as características do veículo tais como a sua massa, largura de vias, transferência de massas s em curva, potência do motor, etc., para obter o máximo de aderência para um mínimo de largura do pneu. Como se pode verificar na Figura 5, os pneus estão sujeitos à acção de muitas forças e momentos resultantes da solicitação a cada momento. Estes componentes estão definidos segundo um sistema de eixos e a resultante da acção de todas as forças e momentos aplicados no pneu irá ditar a área de contacto do pneu com o solo, a direcção para a qual este se vai deslocar, assim como o slip angle. [1] Figura 5 Sistema de eixos do pneu segundo a SAE 1, principais forças e momentos existentes, direcção do pneu e slip angle. 1 Society of Automotive Engineers. 10

22 Os pneus apresentam um comportamento elástico pelo que qualquer força que neles actua irá levar a uma deformação. Essa deformação irá repercutir-se na área de contacto com o solo, ou seja, na pegada do pneu. Depois de seleccionado o pneu de acordo com as características do veículo, é importante perceber que a sua capacidade de aderência está intimamente relacionada com a área de contacto do pneu com o solo (pegada), como foi anteriormente referido. Assim, é necessário identificar os factores que influenciam a área de contacto dos pneus com o solo. O aumento desta área de contacto traduzirá uma maior performance do automóvel, especialmente no caso das mudanças de direcção. A força em curva gerada pelo pneu (cornering force) que resulta da acção da força lateral (side force), distorce o pneu lateralmente no ponto de contacto do pneu com o solo (ver Figura 6). Esta deformação lateral leva o pneu a descrever uma trajectória com um ângulo diferente da direcção para a qual a jante está a apontar (o ângulo entre estas duas direcções corresponde ao slip angle da Figura 6). A força em curva dá origem ao slip angle,, e o slip angle causa a força em curva.. Basicamente é a aderência do pneu ao solo que lhe permite resistir ao escorregamento lateral quando lhe é aplicada uma força lateral. Por outro lado, o pneu reage no sentido de corrigir a distorção causada pela solicitação e voltar á posição inicial. A força em curva criada entre a superfície do pneu e o solo devido á distorção do pneu, tem direcção oposta á da força lateral causada pelo curvar do veículo. Mesmo que o pneu escorregue estas forças apresentam valores iguais, mas de direcções diferentes como na situação anterior. [5] Figura 6 Cornering force e side force no pneu. A força em curva surge pela capacidade de um pneu resistir ao escorregamento lateral. Esta não existiria sem a distorção do pneu e o correspondente slip angle.. Por outro lado, o slip angle não existiria sem a força em curva, como referido anteriormente. O slip angle e a força em curva aumentam gradualmente á medida que o veículo entre em curva e se o raio da curva é progressivamente reduzido, até que o ponto de aderência máxima é atingido, depois desse ponto o pneu escorrega e veículo perde aderência. No entanto, a força 11

23 em curva e o slip angle são factores que estão relacionados com o tipo de pneu, pelo que para a mesma solicitação, apresentam valores diferentes dependendo do pneu em análise (ver Figura 7). Figura 7 Cornering force e slip angle para vários tipos de pneu. Quando o pneu está a escorregar, este ainda possui algum atrito e para isso cria uma força de resistência ao escorregamento. Esta força não é inteiramente causada pela distorção do piso do pneu mas também pela fricção existente entre o pneu e a estrada. [5] Não existe uma transição abrupta entre as situações de total aderência e escorregamento, no entanto os pilotos normalmente discordam desta afirmação. Quando o pneu perde aderência, este só a irá recuperar depois de o veículo reduzir a sua velocidade ou se verificar um aumento do raio da curva. A capacidade de aderência do pneu, traduzida pelo seu coeficiente de atrito, varia com o slip angle e depende directamente deste ângulo. Esta situação resulta do facto da área de contacto do pneu com o solo também depende do slip angle. [4] Podemos verificar que na Figura 8 o valor da força lateral (lateral force) depende do slip angle e também varia com a carga vertical para um dado pneu. 12

24 Figura 8 Relação entre lateral force e slip angle para diferentes cargas verticais num pneu. O valor máximo do coeficiente de atrito atingido em curva irá determinar o valor da aceleração lateral que um veículo pode suportar, enquanto a forma da curva de atrito permite ao piloto sentir o limite de aderência do pneu. Pretende-se que o pneu possua um gráfico de aderência vs slip angle de forma linear (até cerca de 80% do máximo de aderência) e de elevado declive, o que permite atingir aderências elevadas para reduzidos valores de slip angle. Isto permite ao piloto atingir rapidamente grande aderência em curva e percepção da proximidade do seu ponto máximo, desde o ponto de inserção na curva. Depois de atingido o ponto de máxima aderência, a curva do gráfico deve ser plana até elevados valores de slip angle o que permite ao piloto tempo para balançar o veículo e voltar ao ponto de aderência máxima. No entanto nos pneus reais estas característica são ligeiramente diferentes o que requer ao piloto bastante sensibilidade para interpretar o slip angle do pneu e aderência em casa instante. [3] Como a capacidade de aderência do pneu, ou seja o seu coeficiente de atrito, depende do slip angle como foi referido anteriormente, podemos dizer que só numa viatura neutra, onde todos os pneus desenvolvem o mesmo slip angle, é possível atingir o máximo de aderência e como consequência o máximo de aceleração lateral. Este objectivo será mais facilmente atingido em viaturas com um bom handling, isto porque o feedback que o veículo irá transmitir ao piloto sobre o slip angle dos pneus permite-lhe ajustar o ângulo de direcção, velocidade e intervir na inserção em curva para optimizar o slip angle dos quatro pneus da viatura, de modo a atingir o máximo de aderência para uma dada curva. Para além da força lateral (resultante da força centrífuga) actuante no pneu gerar uma força de sentido oposto no pneu e como consequência o aparecimento do slip angle e relativa distorção no pneu, existem outros factores que também exercem elevada distorção na forma como o pneu contacta o solo. 13

25 A carga vertical a que o pneu está sujeito, resultante da massa do veículo nessa roda (estaticamente) e da transferência de massas (em aceleração, travagem ou curva), vai também interferir na pegada do pneu no solo. Desta forma, é também importante considerar este factor na determinação da aderência do pneu. Na Figura 9 podemos constatar que depois de atingido o coeficiente de atrito máximo no pneu, o aumento da carga vertical leva a uma perda de atrito. [6] Figura 9 Coeficiente de atrito em função da carga vertical no pneu. Quanto maior for a carga vertical maior será a força lateral que o pneu conseguirá desenvolver, que por sua vez está relacionada com o slip angle. Por isso o factor carga vertical do pneu vai ter um influência semelhante à da força lateral, ou seja, á medida que esta aumenta, aumenta a força lateral e consecutivamente o slip angle até que se atinge um pico (ponto máximo de aderência), a partir no qual um incremento de carga vertical irá causar um slip angle superior ao correspondente para a máxima força lateral e como consequência o pneu irá escorregar. Esta característica é evidenciada na Figura 10 onde podemos constatar que a força lateral aumenta com o slip angle para uma dada carga vertical mas, por outro lado, a força lateral é máxima para um dado valor de slip angle que é cerca de 3 graus para um pneu de competição e cerca de 6 graus para um pneu de estrada. 14

26 Figura 10 Relação entre força lateral e carga vertical para diferentes slip angle no pneu. Outro dos factores que influencia a aderência dos pneus é a temperatura (ver Figura 11). Qualquer processo que envolva fricção produz calor. Adicionalmente, uma porção da energia envolvida na compressão e distorção do piso do pneu no ponto de contacto com o solo não é restaurada quando o pneu volta ao seu estado inicial mas é convertida em calor. Parte desse calor é transmitido para a atmosfera enquanto outra parte é retida no pneu. Em condições normais a temperatura do pneu irá aumentar até se atingir um equilíbrio térmico que permitirá á temperatura estabilizar. Como é óbvio a temperatura do pneu irá variar consideravelmente nos diversos pontos de uma pista, dependendo da solicitação do pneu em cada momento. A maior parte dos pneus de competição produzem o máximo de aderência para temperaturas entre os 70 e os 100º C. No entanto os pneus de chuva, com componentes de borracha mais macia, atingem facilmente o máximo de atrito a temperaturas que rondam os 60º C. Se o pneu estiver a operar a temperaturas muito abaixo da temperatura ideal o pneu terá baixa aderência, enquanto se ultrapassar largamente a temperatura ideal, o pneu corre o risco de se desintegrar devido à deterioração e perda dos componentes voláteis da mistura do pneu. Pelo que o atrito do pneu está directamente relacionado com a pressão e consequente temperatura. [5] 15

27 Figura 11 Aderência do pneu em função da temperatura (240 ºF = 115,5 ºC). Para uma optimização da temperatura deve-se ajustar a pressão do pneu, isto é, um pneu com baixa pressão irá possuir um maior contacto com o solo e maior deformação da borracha do piso, pelo que o atrito da borracha com o solo irá ser maior e consequentemente a temperatura irá aumentar principalmente nas extremidades do contacto. O oposto, pressão exagerada, reduzirá o contacto do pneu com o solo ao centro do pneu levando-o a aquecer. Desta forma a optimização da temperatura do pneu é em grande parte influenciada pela pressão, pelo que podemos considerar que a aderência do pneu depende deste parâmetro, como é possível verificar na Figura 12 onde a aderência é dependente da pressão do pneu. Figura 12 Aderência em função da pressão do pneu. 16

28 Devido à inconstância da geometria das suspensões e como o pneu sofre deformações devido á direcção e intensidade das forças que lhe são aplicadas os fabricantes de automóveis, e principalmente em competição, adoptaram mecanismos de afinação do posicionamento da roda para possibilitar um maior contacto do pneu quando este é mais solicitado e do controlo do slip angle dos pneus. Estes mecanismos permitem definir alinhamentos como camber, caster e toe (ver capítulo ). Estes alinhamentos podem também ser ajustados de modo a uma uniformização da temperatura dos pneus, trazendo as vantagens anteriormente referidas. [3] Por fim, temos que evidenciar que o coeficiente de atrito é um coeficiente adimensional que expressa a oposição ao escorregamento existente entre as superfícies de dois corpos em contacto, pelo que é impossível falar do coeficiente de atrito do pneu sem falar das características do piso. Desta forma o coeficiente de atrito do pneu depende, também, da superfície onde o pneu se desloca, por isso, considerando todos os factores anteriormente referidos, o coeficiente iente de atrito de um pneu a circular numa pista de asfalto seco é totalmente diferente do coeficiente de atrito desse mesmo pneu a mesma pista com chuva, como se pode verificar na Figura 13. [1] Figura 13 Relação entre velocidade, coeficiente de atrito e tipo de piso. 3.5 Classificação dos movimentos do veículo Na dinâmica de veículos estudam-se se os movimentos do automóvel, pelo que é usual para o engenheiro fixar algumas variáveis em acção. Desta forma é necessário definir sistemas de eixos e denominações para os diferentes movimentos do veículo. Esses movimentos podem ser relativos ao referencial do próprio veículo (movimentos da suspensão) ou relativamente ao referencial considerado com fixo (referencial do solo) que também pode sofrer perturbações relacionadas com as irregularidades ou inclinação do piso. O movimento da suspensão de um automóvel pode ser definido por quatro componentes distintas de movimento. Essas componentes são o heave, pitch, roll e warp. A posição do 17

29 sistema de suspensão no seu funcionamento pode a cada instante ser descrita pela sobreposição destas quatro componentes de movimento. [7] A massa suspensa do veículo, massa que é suportada pela suspensão, possui seis graus de liberdade e a terminologia usada para os descrever é a seguinte (ver Figura 14): Translação ao longo do eixo longitudinal; Translação ao longo do eixo transversal; Translação ao longo do eixo vertical; Rotação sobre o eixo vertical, (yaw); Rotação sobre o eixo longitudinal, (roll); Rotação sobre o eixo transversal, (pitch). Figura 14 Sistemas de eixos do veículo segundo a SAE e classificação dos movimentos segundo os eixos. De forma similar o plano do solo, cujos quatro vértices são os pontos de contacto com os pneus, também pode ser caracterizado por quatro movimentos distintos heave, roll, pitch e warp. Os movimentos da suspensão são diferentes a cada instante de posição e dependem da atitude da massa suspensa e da estrada onde o veículo circula. 18

30 Heave O heave da suspensão (ver Figura 15) ocorre quando todas as quatro massas não suspensas se movem sincronamente, umas com as outras, em sentido ascendente ou descendente. O heave geralmente mede-se em milímetros e é igual à deslocação vertical entre a massa suspensa e a superfície da estrada, relativamente à posição de estática. O heave da suspensão ocorre geralmente quando o perfil da superfície de estrada conduz a acelerações verticais. O downforce aerodinâmico pode significativamente afectar a quantidade do movimento de heave da suspensão, relativo à posição de estática. O movimento de heave é importante para se determinar a altura do veículo ao solo. A altura do centro de gravidade da massa suspensa (ver capítulo 3.6.7), altura do centro do rolamento (ver capítulo ), altura do centro do pitch (ver capítulo 3.5.2) e o camber das rodas contribuem para o desempenho lateral e longitudinal de um veículo, e todos estes factores são afectados pelo movimento do heave da suspensão. [7] Figura 15 Movimento de heave Pitch O movimento de pitch da suspensão (ver Figura 16), ocorre quando os pares de rodas dianteiras e/ou traseiras se movem relativamente à massa suspensa em sentidos opostos entre eles. O pitch é causado geralmente por uma desaceleração gerada pelas forças nos pneus ou por mudanças na forma da estrada que faz com que os pares de rodas dianteiras e/ou traseiras se movam em sentidos opostos. O controlo do pitch é importante para assegurar que o veículo pode permanecer desobstruído do solo (principalmente em veículos cuja distância ao solo é bastante reduzida tal como nos fórmulas) e contribui para a alteração de camber rodas durante a travagem e aceleração. Como o camber de uma roda, na maioria dos sistemas de suspensão independentes, muda consoante o curso vertical da suspensão, movimento de pitch irá alterar o ângulo de camber. A alteração do ângulo de camber irá alterar a quantidade de aderência do pneu. Uma situação onde este movimento é bastante importante será quando o veículo está a travar para preparar a 19

31 inserção em curva, o pitch resultante mudará o ângulo de camber das rodas e a aceleração lateral máxima em curva será dificilmente alcançada. [7] Figura 16 Movimento de pitch Roll O roll da suspensão (ver Figura 17) ocorre quando os pares esquerdos e/ou direitos de rodas se movem relativamente à massa suspensa, em sentidos opostos entre eles. O roll é causado por uma aceleração lateral devido às forças dos pneus ou quando a superfície de estrada se inclina relativamente à massa suspensa. Se o veículo é mais longo do que largo (como na maioria dos veículos), os problemas de distância ao solo devido ao roll não são tão preocupantes como no caso do pitch. O controlo do roll é fundamental para o bom desempenho do veículo. Se a variação de camber com o curso da suspensão é zero, então os ângulos de camber das rodas são iguais ao ângulo de roll da massa suspensa relativamente à superfície da estrada. O ângulo de camber toma, assim, valores elevados e pode limitar severamente a capacidade de carga lateral al e longitudinal dos pneus e assim reduz a performance em curva, travagem e aceleração do veículo. Por este motivo, determinado valor de camber é imposto na maioria das suspensões independentes de competição para neutralizar o ângulo de camber resultante do ângulo de roll da massa suspensa. [7] Figura 17 Movimento de roll. 20

32 Warp O movimento de warp da suspensão descrito na Figura 18 ocorre quando os pares diagonais de rodas se deslocam com movimentos opostos relativamente à massa suspensa. A superfície da estrada pode proporcionar um movimento de warp,, se esta for irregular ou possuir depressões e lombas. Por outro lado considera-se se que a massa suspensa não descreve o movimento de warp,, porque para isso a massa suspensa teria de torcer, pelo que apesar dessa situação ser real para o chassis de um automóvel, a sua magnitude é tão baixa que pode ser desprezada. No movimento de warp tal como no heave é desejada uma suspensão macia para permitir que as rodas sigam as irregularidades da estrada com um mínimo de alteração de carga. [7] Figura 18 Movimento de warp. 3.6 Factores que influenciam o comportamento dinâmico Em qualquer automóvel, particularmente para o uso em competição, é essencial manter a estabilidade perante qualquer situação. Esta é influenciada por diversos factores incluindo a massa do veículo e sua distribuição (ver capítulo 3.6.8); rácio entre massa suspensa e nãosuspensa (ver capítulo 3.6.8); altura do centro de gravidade; altura do centro de rolamento e relação entre alturas dos centros de rolamento da frente e traseira; distância entre eixos (ver capítulo 3.6.6) e largura de vias (ver capítulo 3.6.5), tipo de suspensão (ver capítulo 3.6.1); geometria da direcção (ver capítulo ); carga actuante; secção, rigidez, pressão, altura do piso dos pneus, e equilíbrio entre jantes e pneus. Cada um destes itens afecta a aderência do veículo ao solo de uma forma particular. Por exemplo, se reduzir-mos a largura dos pneus da frente num carro com comportamento neutro, essa alteração terá uma influência que se prevê tornar o veículo subvirador. Quanto menor for a largura do pneu, menor será a sua rigidez e maior será a sua deformação e slip angle, pelo que se reduzir-mos a largura dos pneus da frente do veículo, estes desenvolverão slip angles superiores comparativamente aos pneus mais largos para qualquer força que actue em curva (o veículo vai tornar-se subvirador). 21

33 Assim, pretende-se perceber e analisar as linhas gerais que definem o comportamento da viatura que será estudada. Para a realização desse estudo é necessária a compreensão de alguns conceitos relacionados com a mecânica e física do automóvel e que serão apresentados sucintamente nos capítulos seguintes Suspensão Se as estradas e pistas onde os veículos circulam fossem perfeitamente lisas as suspensões não seriam necessárias, pelo que existem alguns veículos de competição tais como os karts que prescindem destes componentes. No entanto, para além de possibilitar o conforto, as suspensões são usadas para afinar o chassis para o melhor comportamento numa dada situação. [5] As funções essenciais da suspensão são: Assegurar conformidade vertical para que as rodas condigam seguir sobre piso irregular, isolando o chassis das deformações da estrada; Manter as rodas com direcção e camber adequados á superfície do piso; Reagir às forças de controlo produzidas nos pneus forças longitudinais (aceleração e travagem), laterais (em curva), e aos momentos gerados pela aceleração e travagem. Resistir ao roll do chassis; Manter os pneus em contacto constante com a estrada com o mínimo de variação de carga. A suspensão e sua correcta afinação são um factor fundamental para o comportamento de uma viatura, uma vez que esta tem que estabelecer a ligação entre as rodas e o chassis, suportar as irregularidades do piso e oscilações da carroceria. Uma suspensão é constituída essencialmente por um elemento capaz de armazenar energia potencial e um dissipador de energia, mola e amortecedor respectivamente. A mola suporta toda a massa suspensa e liga-a à massa não-suspensa, enquanto o amortecedor dissipa a energia resultante das deformações da mola. [1] A massa do chassis e de todos os componentes nele acoplados na qual se incluem os ocupantes é designada por massa suspensa, esta massa é suportada pelas molas que têm a função de isolar o chassis das irregularidades do piso conferindo um maior conforto aos ocupantes. Os restantes componentes são considerados não-suspensos e estão ligados às rodas (travões caso sejam outboard, jantes, pneus, etc.) por isso acompanham as irregularidades do solo. No entanto alguns componentes que fazem a ligação entre estes dois grupos não se incluem totalmente em nenhum dos dois pelo que a massa desses componentes distribui-se pelos dois grupos consoante a sua posição e característica. A relação entre a massa suspensa e não-suspensa tem um grande efeito no comportamento dinâmico do veículo pelo que essa característica pode ser definida por um rácio, dividindo a massa total suspensa pela massa não-suspensa nas quatro rodas do veículo, ou calculando separadamente para cada extremidade do veículo a massa suspensa na frente ou traseira do 22