Estudo da influência do aumento da massa não suspensa em um veículo híbrido com motores elétricos nas rodas

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1 Estudo da influência do aumento da massa não suspensa em um veículo híbrido com motores elétricos nas rodas Diego Moreno Bravo, Fabio Mazzariol Santiciolli, Heron José Dionísio, Jony Javorski Eckert, Franco Giuseppe Dedini, 1 Universidade Estadual de Campinas, Cidade Universitária "Zeferino Vaz" Distrito de Barão Geraldo CEP: Campinas SP Resumo: No projeto de veículos híbridos ou até mesmo na hibridização de um veículo convencional existe uma série de fatores relevantes que influenciam na dinâmica do sistema e que não podem ser ignorados. O acréscimo de massa não suspensa no caso de motores instalados nas rodas é um fator relevante no comportamento do veículo no que diz respeito ao conforto de seus passageiros e dinâmica vertical da suspensão. Quando se trata de um processo de hibridização de um veículo convencional, há poucos parâmetros que podem ser alterados no carro, ao contrário do que ocorre quando se projeta um automóvel híbrido desde o início. Desta forma, as modificações causadas pelas diversas adaptações executadas para a implementação de um sistema híbrido em um veículo convencional devem provocar o mínimo de alterações no comportamento dinâmico do automóvel, procurando manter a maior semelhança possível em relação ao modelo original. Portanto, o objetivo deste trabalho é a avaliação da influência do acréscimo de massa não suspensa nas rodas devido ao acoplamento de motores eletricos nas mesmas. Para o desenvolvimento deste estudo é utilizado o modelo de um quarto de carro implementado em MATLAB, tornando possível a análise dos principais parâmetros de conforto da suspensão do veículo: acelerações e deslocamentos da massa suspensa e não suspensa. Palavras-chave: veículos híbridos, conforto, suspensão. 1. INTRODUÇÃO No atual cenário mundial existe uma preocupação crescente com a degradação ambiental causada pela emissão de gases poluentes que provém do escapamento de automóveis que utilizam como fonte propulsora motores de combustão interna. Tais gases são gerados com maior intensidade nos grandes centros urbanos, onde há uma maior concentração de veículos automotores. Outro fator que vem a agravar esse panorama é a iminente ameaça da escassez de combustíveis fósseis, já que estes não são renováveis, podendo causar uma grande instabilidade no preço destes produtos. Uma alternativa ao uso do motor a combustão, com o intuito de atenuar os efeitos da poluição, é a utilização de motores elétricos. Contudo, um veículo puramente elétrico encontra uma série de empecilhos, destacando-se entre eles a baixa autonomia e o elevado tempo de recarga das baterias que se encontram no mercado atualmente, tornando pouco viável essa configuração no presente momento. Uma alternativa cabível é o uso de um modelo de veículo híbrido que associe a um motor de combustão um ou mais motores elétricos em paralelo (Souza, 2010). Alguns projetos de veículos híbridos têm adotado a configuração de um motor a combustão frontal com tração dianteira, associado a dois motores elétricos na traseira, estando localizado um em cada roda. Um exemplo deste tipo de distribuição dos componentes pode ser verificado no veículo da Peugeot nomeado BB1, como pode ser visto na Fig. (1). Este carro é equipado com dois motores de 7,5kW de potência e 320Nm de torque máximo, um em cada roda traseira. Contudo, este tipo de configuração aumenta a massa não suspensa do veículo, o que pode prejudicar a dirigibilidade (handling) e o conforto dos passageiros (ride comfort). Um modo de amenizar as perdas de dirigibilidade é aumentar o amortecimento, o que reduz os picos de ressonância das massas suspensa e não suspensa (Rajamani, 2012). Sabendo disso, será desenvolvido no presente trabalho, um estudo da influência desse aumento na massa não suspensa em um veículo convencional de passeio, levando-se em conta as acelerações das massas suspensa e não suspensa, bem como seus deslocamentos. Freitas (2005) afirma que o acréscimo de massa não suspensa causa um aumento na transmissão dos esforços da pista para o passageiro além de prejudicar a isolação das vibrações provenientes da pista e de outras fontes de excitação.

2 Segundo Gillespie (1992) a vibração é um dos mais importantes critérios, embora de natureza subjetiva, pelo qual as pessoas julgam a qualidade de construção e do projeto do veículo. Figura 1. Peugeot BB1: um motor elétrico em cada roda traseira, G1 (2012) 2. DESCRIÇÃO DO MODELO UTILIZADO Para uma análise do acréscimo de massa não suspensa na roda do veículo será utilizado um modelo referente à ¼ de veículo como mostrado na Fig. (2), sendo que este modelo contém algumas limitações tais como não contemplar a geometria da suspensão e as inércias de componentes, além de ignorar o efeito de alguns componentes tais como buchas e batentes de final de curso. Entretanto, existem modelos matemáticos mais complexos específicos para cada modelo de suspensão que levam em conta todos os fatores geométricos, bem como estabelecem uma melhor aproximação do comportamento dos componentes. Devido ao caso analisado ser relativamente simples e não apresentar não linearidades, o modelo de ¼ de carro apresenta resultados satisfatórios e muito semelhantes aos modelos mais complexos, conforme foi discutido por Freitas (2005). O modelo de ¼ de carro pode ser visto na Fig. (3). Figura 2. modelo de ¼ de carro. Sendo: Z = Deslocamento da massa suspensa M; Zu = Deslocamento da massa não suspensa m; Zr = Deslocamento do solo ou pista; Ks = Rigidez da mola principal da suspensão; Cs =Coeficiente de amortecimento do amortecedor; Kt =Rigidez do pneu. Conforme a Segunda Lei de Newton, o equacionamento para este sistema é: (1)

3 ( ) (2) Após aplicar a transformada de Laplace e trabalhar com a álgebra tem-se a função de transferência entre a pista e a massa suspensa na Eq. (3) e a função de transferência entre a pista e a massa não suspensa na Eq. (4): ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (3) ( ) (4) 3. PARÂMETROS DE CONFORTO Um veículo se locomovendo é excitado por uma série de fatores externos e internos que geram vibrações que, por sua vez, são atenuadas pelo sistema de suspensão do veículo, chegando aos ocupantes na forma de sensações tácteis, visuais e/ou audíveis. Costa (2005) afirma que as vibrações podem ser divididas quanto as frequências em 3 faixas: até 25 Hz, a sensação dos passageiros é somente táctil, em função do ouvido humano geralmente ter capacidade de ouvir somente frequências acima de 25 Hz. Na faixa de 25 Hz até Hz, a sensação dos ocupantes é de ruído (audível), e, entre 25 e 100 Hz sensação é de aspereza (táctil). Segundo Gillespie (1992), a maioria dos seres humanos tem alta sensibilidade a frequências entre 4Hz e 8Hz em vibração vertical devido à ressonância com a cavidade abdominal. Para as frequências de 10Hz a 20Hz o ser humano ainda apresenta certa sensibilidade e desconforto, principalmente em 10Hz, que é a frequência de ressonância da cabeça. De acordo com Reimpell (1996), a faixa de frequência considerada crítica para o estudo de conforto de um automóvel está entre 1Hz e 80Hz. Desta forma, serão consideradas neste estudo aquelas frequências que encontram-se no intervalo entre 0,1Hz e 100Hz. Jolly (1983) diz que existem duas classes de parâmetros que definem um modelo para analisar o conforto de um automóvel: Parâmetros estruturais: massas suspensas e não suspensas, rigidez da suspensão e dos pneus, bem como o amortecimento, todos considerados lineares para efeitos de simplificação; Parâmetros de ajustes finais: atrito da suspensão, não linearidades dos pneus, batentes e buchas, dentre outros. No presente trabalho consideraram-se apenas os parâmetros estruturais, já que o modelo construído de ¼ de veículo tem como principal finalidade apenas inspecionar os principais efeitos do aumento na massa não suspensa do veículo. De acordo com Gillespie (1992), para um modelo de ¼ de veículo, nos projetos clássicos de automóveis escolhe-se a frequência de ressonância da carroceria (massa suspensa) próxima a 1Hz e deseja-se que as excitações devido às irregularidades da pista sejam amplificadas no máximo entre 1,5 e 3 vezes para automóveis de passeio. 4. MODELOS SIMULADOS Primeiramente será analisado o modelo de um veículo convencional, com as massas, rigidezes e amortecimento inalterados. Depois disso, será executada uma segunda análise onde serão acrescentadas massas à roda, referentes ao motor elétrico acoplado, incrementando-se 10kg por análise. Após isso, as simulações serão repetidas para diferentes valores de fator de amortecimento (ζ s =0,20, ζ s =0,40 e ζ s =0,50), visando averiguar qual a influência desse parâmetro na resposta do sistema às excitações externas. Tendo os resultados das simulações citadas acima, os gráficos serão analisados e será realizado um estudo comparativo com intuito de quantificar a influência do acréscimo de massa não suspensa à roda do veículo Modelo padrão Os valores que são utilizados para as simulações com o modelo padrão são referentes a um veículo convencional de passeio, conforme apresentado no trabalho de Freitas (2005) e são apresentados abaixo: M = 319 kg (massa suspensa) m = 39 kg (massa não suspensa) Ks = 23 N/mm (rigidez da mola) Kt = 200 N/mm (rigidez do pneu) Cs = 1,08 Ns/mm (ζ s = 0,20)

4 4.2. Modelos com acréscimo de massa não suspensa Para o modelo em que foi levado em conta o acoplamento do motor elétrico na roda, ou seja, houve um aumento da massa não suspensa, mantiveram-se inalterados o valor de massa suspensa, rigidez da mola e rigidez do pneu. Foram realizadas simulações para os seguintes valores de massa não suspensa: 49, 59 e 69kg. Também foram modificados os fatores de amortecimento. Utilizaram-se os valores: Cs = 2,17 Ns/mm (ζ s = 0,40) Cs = 2,71 Ns/mm (ζ s = 0,50) Uma vez que, por Gillespie (1992): (5) Gillespie (1992) ainda indica que os veículos convencionais possuem ζ s entre 0,2 e 0,4. Segundo Biasizzo (2001), ao se aumentar a massa não suspensa, a frequência de ressonância da mesma deve diminuir e espera-se que ocorra um aumento na transmissibilidade de vibrações Resultados da simulação Os resultados obtidos das simulações citadas acima estão apresentados nas figuras abaixo. Figura 3. Ganhos da massa suspensa com ζs = 0,20. Figura 4. Ganhos da massa não suspensa com ζs = 0,20.

5 Figura 5. Ganhos da massa suspensa com ζs = 0,40. Figura 6. Ganhos da massa não suspensa com ζs = 0,40. Figura 7. Ganhos da massa suspensa com ζs = 0,50.

6 Figura 8. Ganhos da massa não suspensa com ζs = 0,50. Tabela 1. Ganhos máximos e frequências da Massa Suspensa ζ Massa Suspensa 39 kg 49 kg 59 kg 69 kg Z/Zr freq(hz) Z/Zr freq(hz) Z/Zr freq(hz) Z/Zr freq(hz) 0,2 3,21 1,25 3,22 1,25 3,23 1,25 3,24 1,25 0,4 1,88 1,26 1,89 1,26 1,89 1,26 1,9 1,26 0,5 1,66 1,17 1,66 1,17 1,67 1,17 1,67 1,17 Tabela 2. Ganhos máximos e frequências da Massa Não Suspensa ζ Massa Não Suspensa 39 kg 49 kg 59 kg 69 kg Zu/Zr freq(hz) Zu/Zr freq(hz) Zu/Zr freq(hz) Zu/Zr freq(hz) 0,2 2,44 11,5 2,71 10,4 2,94 9,52 3,61 8,8 0,4 1,34 9,8 1,47 9,1 1,58 8,5 1,69 7,99 0,5 1,16 8,28 1,26 8,03 1,35 7,68 1,43 7, Comparativo entre os modelos Em todos os gráficos é possível observar que, quando a frequência tende a seu menor valor, os ganhos tendem a 1. Isto significa que a suspensão tende a reproduzir o perfil da pista. Em torno de 1Hz tem-se a região com os maiores ganhos da massa suspensa, como pode-se observar nos gráficos de Fig. (3), Fig. (5) e Fig. (7). Os valores destes ganhos estão na Tab. (1). Seguindo para a região em torno de 10Hz tem-se um aumento suave no ganho da massa suspensa como reflexo da frequência de ressonância da massa não suspensa. Mas esses valores não são relevantes para esta análise. Esta ressonância da massa não suspensa pode ser observada em Fig. (4), Fig. (6) e Fig. (8) e os valores de ganho e das frequências estão na Tab. (2). Observa-se que, com o aumento da massa não suspensa, os ganhos para as frequências de ressonância da massa suspensa não são alterados significativamente. Já aumentando o coeficiente de amortecimento o ganho é sensivelmente diminuído. Entretanto, aumentando-se a massa não suspensa, a mesma tem seus ganhos aumentados expressivamente, o que pode ocasionar a perda de contato entre pneu e pista. Uma forma de reduzir estes ganhos é aumentando o coeficiente de amortecimento.

7 5. CONCLUSÃO O modelo de ¼ de veículo se mostrou interessante como uma forma genérica de modelagem do problema de aumento de massa não suspensa. Apesar de não contemplar geometrias e não linearidades, foram obtidos resultados satisfatórios para uma análise preliminar das implicações do aumento da massa não suspensa. Em um veículo convencional de passeio não há alteração significativa nos ganhos da massa suspensa na região de ressonância com o aumento de até 40kg na massa não suspensa. Mantendo-se constante o fator de amortecimento, não há redução significativa no conforto. Contudo, os ganhos da massa não suspensa aumentam de forma considerável, podendo causar a perda de contato do pneu com o solo. Uma forma de atenuar este efeito indesejável é aumentando o amortecimento do sistema o que, por sua vez, prejudica a sensação de conforto dos passageiros. Como sequência a este trabalho, pode ser feito um estudo mais detalhado, focando na dirigibilidade (handling) e no desempenho em aceleração e frenagem dada a influência da maior inércia rotativa, bem como um modelo mais detalhado do veículo em software multi corpos, considerando geometrias, flexibilidades e não linearidades dos componentes da suspensão. 6. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à CAPES e à Schaeffler Group pelo apoio financeiro e por compreender as necessidades de pesquisa e desenvolvimento tecnológico no Brasil. 7. REFERÊNCIAS Biasizzo, Mauro Bruno. 2001, Estudo da Influência da Barra Estabilizadora Dianteira no Conforto Vibracional de um Automóvel. 145 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior. Freitas, Luís M. 2006, Estudo da dinâmica vertical de uma suspensão veicular do tipo macpherson. São Carlos, p. Dissertação (Mestrado) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, Gillespie, T. D. 1992, Fundamentals of Vehicle Dynamics, Society of Automotive Engineers. Jolly, A., 1983, Study of ride comfort using a nonlinear mathematical model of a vehicle suspension, Int. Journal of Vehicle Design, Vol.4, no.3, pp Neto, Á. Costa 2005, Dinâmica Veicular, Universidade de São Paulo, São Carlos, BR, pp Rajamani, R., 2012, Vehicle Dynamics And Control, Ed. Springer Verlag Ny, New York, USA, 496 p. Reimpell, J.; Stoll, H., 1996, The Automotive Chassis: Engineering Principles, SAE. Souza, Reynaldo Barros de (autor); Dedini, Franco Giuseppe (orient.). Uma visão sobre o balanço de energia e desempenho em veículos híbridos p. Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, SP. 8. DIREITOS AUTORAIS G1 - Carro-conceito da Peugeot BB1 virá ao Brasil < > Acesso em 23fev.2012 Os autores são os únicos responsáveis pelos demais conteúdos do material impresso incluído no trabalho.

8 The influence of unsprung mass increase on a hybrid vehicle with in-wheel electric motors Diego Moreno Bravo, dimobra@gmail.com Fabio Mazzariol Santiciolli, fabiosanticiolli@gmail.com Heron José Dionísio, hjd_92@hotmail.com Jony Javorski Eckert, alemao_eckert@hotmail.com Franco Giuseppe Dedini, dedini@fem.unicamp.br 1 Universidade Estadual de Campinas, Cidade Universitária "Zeferino Vaz" Distrito de Barão Geraldo CEP: Campinas SP Abstract: In the design of hybrid vehicles or even on the hybridization of a conventional vehicle there are many relevant factors that influence the dynamics of the system and can not be neglected. The increase of unsprung mass in the case of in-wheel electric motors instalation is an important factor in the behavior of the vehicle in respect to the comfort of the passengers and to the suspension vertical dynamics. When it comes to a hybridization process of a conventional vehicle, there are few parameters that may be changed in the car, unlike what occurs when designing a hybrid vehicle from the beginning. Thus, the changes due to the hybridization of a conventional vehicle must cause the least changes as possible in the car dynamic behavior, in order to keep it as similar as possible to the original model. Therefore, the aim of this study is to evaluate the influence of the addition of unsprung mass at the wheels due to the coupling of electric motors in them. To develop this study a model of a quarter of a car that was implemented in MATLAB software is used, making it possible to analyze the main parameters of the vehicle suspension ride comfort: accelerations and displacements of the sprung and unsprung masses. keywords:hybrid vehicles, comfort, suspension.