CENTRO UNIVERSITÁRIO POSITIVO DESENVOLVIMENTO DE PROGRAMA COMPUTACIONAL PARA A SIMULAÇÃO DE DESEMPENHO DE VEÍCULOS AUTOMOTORES

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1 CENTRO UNIVERSITÁRIO POSITIVO DESENVOLVIMENTO DE PROGRAMA COMPUTACIONAL PARA A SIMULAÇÃO DE DESEMPENHO DE VEÍCULOS AUTOMOTORES CURITIBA 2007

2 ANATOLY FELIPE LAGINSKI IGOR PELOIA DESENVOLVIMENTO DE PROGRAMA COMPUTACIONAL PARA A SIMULAÇÃO DE DESEMPENHO DE VEÍCULOS AUTOMOTORES Monografia apresentada para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico, no Curso de Graduação em Engenharia Mecânica do Centro Universitário Positivo. Orientador: Prof. Cláudio Carreirão CURITIBA 2007

3 SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS... 4 LISTA DE TABELAS... 6 LISTA DE FLUXOGRAMAS... 7 LISTA DE SÍMBOLOS... 8 RESUMO INTRODUÇÃO OBJETIVOS OBJETIVOS ESPECÍFICOS ESCOPO DO TRABALHO ESTRUTURA DO TRABALHO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA DE DINÂMICA VEICULAR TORQUE E POTÊCIA TREM DE FORÇA SISTEMA DE COORDENADAS FORÇA TRATIVA NAS RODAS ESCALONAMENTO DE MARCHAS FORÇAS RESISTIVAS Força de Arraste Aerodinâmico Resistência ao Rolamento Resistência à Inclinação da Pista CARREGAMENTO DINÂMICO NOS EIXOS MASSA EQUIVALENTE ACELERAÇÃO LIMITE DE TRAÇÃO PNEU/SOLO VELOCIDADE TEÓRICA DO VEÍCULO FORÇA LÍQUIDA ÂNGULO MÁXIMO DE INCLINAÇÃO ii

4 4 DESENVOLVIMENTO FLUXOGRAMAS LÓGICOS DO SIMULADOR DE PERFORMANCE Troca de Marcha Força Trativa nas Rodas Força Trativa ao Solo Cálculo da Força de Resistência Cálculo da Aceleração e Velocidade Critério de Parada do Algoritmo ESTRUTURA DO PROGRAMA Dados de Entrada do Programa Processamento do programa Dados de Saída VALIDAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS VALIDAÇÃO PARA UM VEÍCULO ORIGINAL VEÍCULO MODIFICADO Alteração do Torque do Motor Alteração Peso e Pneu Alteração Escalonamento de Marchas Resultados das alterações CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS DOCUMENTOS CONSULTADOS APÊNDICE iii

5 LISTA DE FIGURAS FIGURA 1 EXEMPLO DE GRÁFICO DE TORQUE E POTÊNCIA EM RELAÇÃO À ROTAÇÃO PARA MOTORES A GASOLINA...8 FIGURA 2 EXEMPLO DE GRÁFICO DE TORQUE E POTÊNCIA EM RELAÇÃO À ROTAÇÃO PARA MOTORES DIESEL...9 FIGURA 3 ELEMENTOS PRIMÁRIOS DO TREM DE FORÇA FIGURA 4 SISTEMAS DE COORDENADAS FIGURA 5 FORÇA TRATIVA PELA VELOCIDADE, CARACTERÍSTICAS EM TRANSMISSÃO MANUAL DE 4 MARCHAS FIGURA 6 ESCALONAMENTO DE MARCHAS PARA TRANSMISSÃO MANUAL DE 5 VELOCIDADES FIGURA 7 COEFICIÊNTES AERODINÂMICOS PARA TIPOS DE CARROCERIA FIGURA 8 COEFICIÊNTE DE RESISTÊNCIA AO ROLAMENTO PELA PRESSÃO DOS PNEUS FIGURA 9 FORÇA DE RESTÊNCIA A INCLINAÇÃO ATUANDO NO VEÍCULO FIGURA 10 FORÇAS ARBITRÁRIAS ATUANDO NO VEÍCULO FIGURA 11 COEFICIÊNTE DE FRICÇÃO PELA VELOCIDADE FIGURA 12 ÂNGULO MÁXIMO DE INCLINAÇÃO FIGURA 13 TABELA DE TORQUE PELA ROTAÇÃO FIGURA 14 CARACTERÍSTICAS DA TRANSMISSÃO FIGURA 15 ESPECIFICAÇÕES DO VEÍCULO FIGURA 16 ESPECIFICAÇÕES DO AMBIENTE FIGURA 17 TABELA DE POTÊNCIA E DADOS DO MOTOR FIGURA 18 CURVA DE TORQUE E POTÊNCIA EM FUNÇÃO DA ROTAÇÃO FIGURA 19 VELOCIDADE MÁXIMA POSSÍVEL POR MARCHA E VELOCIDADE DE TROCA FIGURA 20 FORÇA TRATIVA EM FUNÇÃO DA VELOCIDADE FIGURA 21 ESPECIFICAÇÕES DO VEÍCULO FIGURA 22 ESCALONAMENTO DE MARCHA (CAIXA DE CÂMBIO) FIGURA 23 GRÁFICO DA ACELERAÇÃO E VELOCIDADE PELO TEMPO FIGURA 24 GRÁFICO DA FORÇA TRATIVA PELA VELOCIDADE DEPOIS DA ALTERAÇÃO DO TORQUE DO MOTOR FIGURA 25 GRÁFICO DA FORÇA TRATIVA PELA VELOCIDADE ALTERAÇÃO DO PESO E PNEU iv

6 FIGURA 26 GRÁFICO DA FORÇA TRATIVA PELA VELOCIDADE DEPOIS DA ALTERAÇÃO DO ESCALONAMENTO DE MARCHAS FIGURA 27 GRÁFICO DA ACELERAÇÃO PELO TEMPO ALTERAÇÃO DO ESCALONAMENTO DE MARCHAS FIGURA 28 PROGRAMA DO GRÁFICO DE TORQUE E POTÊNCIA EM FUNÇÃO DA ROTAÇÃO FIGURA 29 PROGRAMA PARA CÁLCULO DA VELOCIDADE MÁXIMA E MÍNIMA FIGURA 30 PROGRAMA PARA O CÁLCULO DA ACELERAÇÃO FIGURA 31 PROGRAMA DO GRÁFICO DE TORQUE EM FUNÇÃO DA VELOCIDADE PARA CADA MARCHA FIGURA 32 PROGRAMA DO GRÁFICO DE ESCALONAMENTO DE MARCHA v

7 LISTA DE TABELAS TABELA 1 FORÇAS ARBITRÁRIAS ATUANDO NO VEÍCULO TABELA 2 ROTAÇÃO E TORQUE DO MOTOR ALTERADO TABELA 3 ALTERAÇÃO DO PNEU TABELA 4 ALTERAÇÃO DO ESCALONAMENTO DAS MARCHAS TABELA 5 RESULTADOS DAS ALTERAÇÕES EM RELAÇÃO AO VEÍCULO ORIGINAL vi

8 LISTA DE FLUXOGRAMAS FLUXOGRAMA 1 TROCA DE MARCHA FLUXOGRAMA 2 FORÇA TRATIVA NAS RODAS FLUXOGRAMA 3 LIMITE DE TRAÇÃO PNEU/SOLO FLUXOGRAMA 4 FORÇA DE RESISTÊNCIA FLUXOGRAM A 5 ACELERAÇÃO E VELOCIDADE vii

9 LISTA DE SÍMBOLOS 2 a - Aceleração [ m s ] X 2 g Aceleração da gravitacional [ 9,81m s ] 2 A - Área frontal do veículo [ m ] W t e W r Carregamento aplicado nos pneus (força normal nos pneus) [ N ] CG Centro Gravitacional (centro de massa) [ m ] C D - Coeficiente de arrasto aerodinâmico μ - Coeficiente de fricção f r - Coeficiente de resistência ao rolamento 2 ρ - Densidade do ar [ N m ] ha - Distância do solo ao ponto resultante do arrasto aerodinâmico[ m ] L - Distância entre eixos [ m ] h - Distância entre o centro de gravidade ao solo [ m ] b - Distância entre o centro de gravidade e o eixo dianteiro [ m ] c - Distância entre o centro de gravidade e o eixo traseiro [ m ] η T -Eficiência da transmissão η F -Eficiência do diferencial z Eixo para baixo do veículo x Eixo para frente do veículo e no plano longitudinal de simetria y Eixo para lateral, para o lado direito do veículo f m - Fator de massa D a Força de arraste aerodinâmico [ N ] F - Força de tração nas rodas trativas ( F F + F X x = ) [ N ] xf xr viii

10 HP - Força do motor [ hp ] Fliq - Força líquida [ N ] F s - Força máxima de tração [ N ] F -Força trativa nas rodas [ N. m] t m - Massa do veículo [ Kgf ] meq - Massa equivalente [ kgf ] W Peso do veículo atuando no centro de gravidade [ N ] W t - Peso no eixo trativo [ N ] V - Velocidade do veículo [ m s] V - Velocidade relativa do veículo [ m s] rel r d -Raio dinâmico do pneu [ m ] N T -Relação da transmissão N F -Relação do diferencial R - Resistência ao rolamento ( R R + R x RΘ - Resistência a inclinação [ N ] p rotação no eixo x [ rad ] q Rotação no eixo y [ rad ] r Rotação no eixo z [ rad ] x = ) [ N ] xf xr t anterior - Tempo anterior [ s ] t atual e - Tempo atual [ s ] T -Torque no motor [ N. m] ix

11 RESUMO O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de uma ferramenta de simulação de performance de veículos automotores. Tal ferramenta é útil, por exemplo, no processo de desenvolvimento de um novo veículo, ou na modificação de um já existente para, por exemplo, melhorar as suas características de aceleração. Com esta ferramenta de simulação o engenheiro consegue uma rápida comparação e análise, de forma gráfica e numérica, podendo decidir, em pouco tempo, sobre qual alteração é mais significativa para atingir o seu objetivo de ajuste ao veículo. São apresentados os fluxogramas lógicos para a implementação numérica, feitas em LabVIEW, e também o algoritmo em linhas de programação. Após o desenvolvimento é apresentada uma validação e uma simulação de uma aplicação prática de otimização de veículo para uma competição de arrancada. Como exemplo, o veículo Taurus obteve um ganho 11,27% na aceleração de 0 à 400m. x

12 1 INTRODUÇÃO Segundo o site WIKIPÉDIA, a indústria automotiva brasileira contou com uma produção de 2,5 milhões de veículos em No Brasil encontram-se instalados os maiores fabricantes mundiais, como Ford, GM (Chevrolet), Volkswagen, Fiat, Peugeot, Citroën, Mercedes-Benz, Renault, e também alguns fabricantes nacionais emergentes, como a Troller, Marcopolo, Agrale, Randon, dentre outros. Em teoria, as pessoas optam por veículos por necessidade. Porém, a industria automobilística já percebeu que os veículos poderiam ter maior ou menor procura em função de sua aparência. Um automóvel pode transmitir uma "idéia" de como o seu dono é, ou de como ele gostaria de ser. A vontade do brasileiro de rodar em um carro que tenha a sua cara, diferente dos outros em visual e potência do motor já faz com que o mercado de personalização de automóveis movimente R$ 700 milhões anuais no país. Após crescimento de mais de 30% nos últimos três anos, o segmento de carros personalizados se mostra um excelente campo de atuação para fornecedores de peças, acessórios e serviços dedicados a esta tendência. (AUTOSHOW, 2007) Como o mercado de personalização de automoveis vem adquirindo espaço nas ruas e na mídia, este passou a oferecer maiores opções desde o setor de auto-peças e acessórios, pós venda, até o setor de serviços. Já existem lojas e sites especializados no assunto. Grandes lojas possuem departamentos voltados para esse público alvo, e os fabricantes têm a preocupação do retorno de satifação dos clientes. Pode-se dizer que a personalização de automóveis é uma atividade mais dinâmica que a preparação de motores, pois as novidades aparecem em ritmo frenético, constante, com novos materiais, idéias, e equipamentos a cada dia. Mas o mercado de personalização de automóveis não deve apenas tornar o carro mais bonito. As alterações feitas, além de ter preocupações estéticas, devem acrescentar características ao carro de forma a torná-lo mais potente, não desprezando a segurança e o comportamento dinâmico do carro, sendo estas as características

13 2 principais a conseguir. Normalmente, estas alterações inspiram-se na competição, tendo os campeonatos nacionais e internacionais contribuindo significativamente para o impulsionamento da personalização a nível mundial. O desenvolvimento da categoria no Brasil teve maior reconhecimento após o lançamento e consagração pública do filme "Velozes e Furiosos". Até então, a personalização dos veículos era limitada, havia uma pequena variedade de acessórios e equipamentos disponíveis no mercado. Com o desenvolvimento acelerado no projeto de veículos, a grande concorrência das empresas automotivas, fazem-se necessárias ferramentas que visão a auxiliar os engenheiros a projetar seus produtos. Os produtos necessitam estar em produção em um espaço de tempo curto e menor custo. Ferramentas computacionais de simulação ajudam os engenheiros no projeto de veículos em relação a aspectos dinâmicos, cálculos estruturais, construção de modelos, etc. Os crescentes avanços das tecnologias voltadas ao desenvolvimento de produtos têm revolucionado a forma como as empresas desenvolvem os mesmos. Os requisitos de segurança, qualidade, durabilidade e redução de custos são cada vez mais exigentes, levando as empresas a atualizarem constantemente seus processos de engenharia. As ferramentas computacionais voltadas ao Desenvolvimento Virtual de Produtos são, portanto, itens indispensáveis para o aprimoramento dos processos de concepção, desenvolvimento, e fabricação de novos produtos. Os sistemas virtuais continuam a evoluir cada vez mais rapidamente, ou seja, em grau de complexidade dos modelos reais que conseguem representar, ou em desempenho e facilidade de uso. Além disso, a disponibilidade em computadores de baixo custo torna-os mais acessíveis a um número cada vez maior de empresas. Esse trabalho apresenta o desenvolvimento de uma ferramenta de simulação de performance de veículos, de forma a auxiliar os engenheiros na preparação de veículos.

14 3 1.1 OBJETIVOS Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma ferramenta de simulação do desempenho de veículos automotores. Com esta ferramenta, o engenheiro consegue, de uma forma rápida e amigável, analisar variações do projeto e como estas influenciam o desempenho do veículo, procurando, de forma sucessiva, um ponto ótimo do conjunto de variáveis que forneça o melhor desempenho para o veículo. Esta ferramenta de simulação, sendo flexível como se propõe, pode ser utilizada em inúmeras aplicações, como em competições Baja SAE, competições de arrancada, corridas automotivas, bem como para modificações (personalização de automóveis). 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS A partir de dados de entrada inseridos pelo operador, como os que estão listados a seguir, a ferramenta de simulação fornece os seguintes resultados como saída (mais detalhes no Capítulo 4.2.3). Curva de força trativa por marcha em função da velocidade; Curva da força resistiva total; Aceleração em função do tempo; Velocidade em função do tempo; Máxima rampa possível de subida; Máximo ângulo de inclinação (máximo ângulo a partir do qual o pneu dianteiro perderá contato com o solo); Limite máximo de tração do pneu com o solo para aceleração próxima de zero; Limite máximo de tração do pneu com o solo para máxima aceleração;

15 4 Escalonamento de marchas (velocidade máxima por marcha); Tempo para percorrer os primeiros 400 metros partindo da imobilidade; Tempo para atingir 100km/h partindo da imobilidade. Os resultados dados de saída informando a performance final do veículo, são obtidos a partir da inserção, pelo operador, dos seguintes dados de entrada: Curva de torque do motor; Relação das marchas da transmissão; Relação do diferencial; Raio dinâmico da roda; Massa do veículo; Coeficiente de arrasto aerodinâmico; Coeficiente de resistência ao rolamento; Área da sombra da seção transversal externa do veículo; Peso no eixo dianteiro; Peso no eixo traseiro; Altura do centro de gravidade; Distância de entre eixos; Densidade do ar; Velocidade do vento. 1.3 ESCOPO DO TRABALHO No desenvolvimento desta ferramenta de simulação, as seguintes variáveis não serão consideradas: Previsão do consumo de combustível, veículos com diferentes tipos de tração e número de eixos (somente considerado veículos de quatro rodas e

16 5 tração trazeira), veículos equipados com reboque, diferentes tipos de transmissão (somente considerado câmbio manual), e esforços gerados no sistema de transmissão. 1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO O presente trabalho está estruturado em capítulos que reúnem assuntos correlatos, e está assim dividido: O capítulo 2 apresenta uma descrição detalhada do problema, e é comentado uma ferramenta de simulação de performance que é utilizada atualmente em uma indústria automobilística. Neste capítulo também são apresentados os trabalhos que serviram de base teórica para o desenvolvimento deste trabalho. O capítulo 3 apresenta uma revisão da teoria necessária para o entendimento do desenvolvimento da ferramenta de simulação. São apresentadas, basicamente, equações de dinâmica da performance de veículos envolvidas, como forças trativas nas rodas, forças resistivas ao rolamento e arraste aerodinâmico, resistência à inclinação, carga dinâmica nos eixos, limite de tração pneu/solo, massa equivalente, fator de massa, aceleração, velocidade teórica do veículo, força líquida, ângulo máximo de inclinação. O capítulo Erro! Fonte de referência não encontrada. apresenta o desenvolvimento do programa, mostrando o seu fluxograma, os painéis de dados de entrada e os painéis dos dados de saída, bem como algumas VI s do Labview 1 mostrando a sua lógica de programação. O capítulo Erro! Fonte de referência não encontrada. apresenta a validação dos resultados obtidos pela ferramenta de simulação por intermédio de uma comparação com dados disponíveis na literatura para um veículo comercial, e também apresenta resultados obtidos simulando a preparação de um veículo comercial. 1 Labview é um programa compilador, ver capítulo 4

17 6 O capítulo 6 apresenta conclusões sobre a ferramenta e também apresenta sugestões para trabalhos futuros. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA A definição das características do trem de força de um veículo, que é composto pelo motor, caixa de câmbio, diferencial e pneus, é um trabalho delicado e moroso. É delicado, pois o ajuste das variáveis de forma a fornecer a melhor performance ao veículo é algo que pode significar sucesso ou fracasso nas vendas, e é moroso pois a quantidade de cálculos relacionados necessários é muito grande. Desta forma, demora-se muito para obter os resultados e também para comparar os vários resultados desejáveis, que, muitas vezes, não estão apresentados em forma gráfica, o que dificulta, ainda mais, o seu entendimento e comparação. Algumas montadoras de veículos utilizam simulações computacionais, cujos códigos são desenvolvidos, na sua maioria, pelas próprias empresas, de acordo com as suas necessidades. Como um exemplo neste sentido, pode-se citar a Volvo, que utiliza o programa chamado PERF (abreviação de performance). Este programa simula desempenho do veículo, neste caso caminhão ou ônibus, quanto a capacidade de subida de rampa, máxima rampa, consumo de combustível, funcionamento de freio motor, velocidade por marcha, força de tração nas rodas, comportamento em estradas (para auxilio no estudo de durabilidade dos elementos, mas apenas como dados para novos cálculos) e alguns outros aspectos de projeto. Em tal aplicativo, as simulações são representadas numericamente e graficamente. O programa possui entrada de dados a partir de um grande banco de dados, que é gerado pela própria empresa de acordo com as características dos produtos utilizados, e também podendo ser editado durante a simulação. A empresa utiliza este programa para fins comerciais e, principalmente, durante as fases de desenvolvimento ou alterações de projeto.

18 7 Para fundamentar teoricamente o desenvolvimento da ferramenta de simulação que está mostrada neste trabalho, alguns autores foram utilizados como base, como os que seguem. GILLESPIE (1992) descreve sobre os aspectos dinâmicos dos veículos como forças nos eixos, força de aceleração, limite de tração, sistema de transmissão, propriedade trativa, e diversos fatores que influem na dinâmica do veículo. Demonstrando, com equações e exemplos, como essas forças agem. NICOLAZZI e ROSA (2001) descreve sobre consideração a respeito de pneus, resistências ao movimento transmissão de forças entre pneu e pista, balanço de potências, diagramas de desempenho, demonstrando forças, considerações básicas de estabilidade direcional e suspensões. MILLIKEN e MILLIKEN (1995) descreve sobre os problemas impostos em uma corrida, mostrando, assim, cálculos para veículos em condições extremas, como alta velocidade e alta aceleração, mas sempre em pista plana e sob o asfalto. CANALE (1993) descreve sobre a dinâmica e desempenho dos veículos, sendo que não trata de características especificas, serve apenas como uma base de iniciação ao entendimento de dinâmica veicular.

19 8 3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA DE DINÂMICA VEICULAR Um dos pontos chave para o desenvolvimento da ferramenta de simulação de performance de veículo, é necessário entender os fundamentos sobre a dinâmica veicular. Este capítulo apresenta equações que governam alguns problemas específicos sobre este ramo do conhecimento. 3.1 TORQUE E POTÊCIA Os motores podem ser caracterizados pela sua curva de torque e potência em função da rotação. Os motores ciclo Otto (ex.: gasolina e álcool) possuem um pico de torque, em geral, na metade da sua faixa de rotação, enquanto os motores ciclo Diesel possuem, em geral, um pico de torque mais em baixas rotações, e esta curva é mais retilínea em comparação aos de ciclo Otto. A figura 1 e figura 2 mostram exemplos de curvas de torque e potência de motores do ciclo Otto e Diesel. FIGURA 1 EXEMPLO DE GRÁFICO DE TORQUE E POTÊNCIA EM RELAÇÃO À ROTAÇÃO PARA MOTORES A GASOLINA FONTE: GILLESPIE, 1992

20 9 FIGURA 2 EXEMPLO DE GRÁFICO DE TORQUE E POTÊNCIA EM RELAÇÃO À ROTAÇÃO PARA MOTORES DIESEL FONTE: GILLESPIE, 1992 Os valores de torque são medidos a partir de testes em dinamômetros. Com esses valores pode ser obtida a potência através da multiplicação da rotação pelo torque, respeitando-se as unidades do SI (Sistema Internacional) 3.2 TREM DE FORÇA A performance de um veículo requer um projeto de sistemas mecânicos que consigam transmitir o torque do motor ao solo de forma otimizada e sem perdas. Os sistemas de transmissão são compostos de alguns elementos chaves. Cada um destes componentes está mostrado na figura 3. Estes componentes possuem várias dimensões, e a combinação destas fornece infinitas configurações que podem ser utilizadas para fornecer uma determinada performance ao veículo.

21 10 FIGURA 3 ELEMENTOS PRIMÁRIOS DO TREM DE FORÇA FONTE: GILLESPIE,1992 Nesta figura é possível observar os seguintes componentes: 1. Embreagem: Função de acoplamento mecânico entre o motor e a caixa de mudanças. 2. Caixa de mudança: Função de fornecer diferentes rotações de saída para uma mesma rotação de entrada fornecida pelo motor, conseguindo-se, com isso, diferentes velocidades para o veículo. 3. Eixo cardã: Eixo de ligação da caixa de mudanças ao diferencial. 4. Diferencial: Transmitir o torque para as rodas. Também permite que elas girem em velocidades diferentes quando o veículo executa uma curva. 5. Semi-eixo: Eixo de ligação do diferencial para cada roda. 6. Rodas e pneus: Transmitem o torque ao solo, impulsionando o veículo para frente, vencendo as forças de resistência.

22 SISTEMA DE COORDENADAS A figura 4 apresenta o sistema de coordenadas utilizado para o equacionamento utilizado neste trabalho. A sua origem é coincidente com o centro de gravidade do veículo (CG), e segue a convenção utilizada pela SAE (Society of Automobile Engineers). FIGURA 4 SISTEMAS DE COORDENADAS FONTE: GILLESPIE, 1992 Desta figura, pode-se observar que o eixo x está alinhado com o eixo de simetria do veículo, e que a sua direção positiva está apontando para frente do veículo. As rotações em torno deste eixo são representadas pela variável p. Pela convenção da SAE, o eixo y está paralelo ao solo, entretanto com seu sentido positivo apontado para a lateral direita do veículo. As rotações em torno deste eixo são representadas pela variável q. Por se tratar de um sistema de coordenadas que respeita a regra da mão direita, o eixo z está apontando com seu sentido positivo para o solo. As rotações em torno deste eixo são representadas pela variável r.

23 FORÇA TRATIVA NAS RODAS À medida que a rotação do motor varia, e dependendo da relação de marcha que está sendo utilizada, pode-se gerar diferentes forças de tração no pneu com o solo. A curva de força trativa nas rodas é obtida através da multiplicação do torque disponível no motor em determinada rotação, pela relação de redução do veículo em determinado momento, não se esquecendo que os elementos de transmissão possuem uma eficiência específica. Com esta multiplicação consegue-se um torque nas rodas que é, em geral, maior do que o troque disponível no motor. Este torque na roda pode ser transformado em força trativa pela simples divisão do raio dinâmico do pneu. A figura 5 ilustra as curvas de força trativa em relação à velocidade em cada uma das marchas de um determinado veículo. Para a determinação matemática destes valores tem-se, segundo GILLESPIE (1992), a equação (3-1). Ft = Te N F η F N 1 T ηt r d (3-1) FIGURA 5 FORÇA TRATIVA PELA VELOCIDADE, CARACTERÍSTICAS EM TRANSMISSÃO MANUAL DE 4 MARCHAS FONTE: GILLESPIE, 1992

24 ESCALONAMENTO DE MARCHAS Os veículos possuem marchas, pois, é necessário adaptar o motor para cada tipo de solicitação que o motorista necessita em um determinado momento, ou seja, em alguns momentos o motorista necessita de muita força e em outros necessita de mais velocidade. Para cobrir toda esta gama de aplicações, os engenheiros escalonam as marchas da caixa de câmbio em reduções de par de engrenagens, sempre dentro do possível, de forma a respeitar uma progressão geométrica, sendo que e a última marcha, normalmente, é dimensionada para que o veículo tenha melhor economia. Um bom escalonamento de marcha é determinante no projeto de um veículo de boa performance. A figura 6 apresenta um exemplo de escalonamento de marchas. FIGURA 6 ESCALONAMENTO DE MARCHAS PARA TRANSMISSÃO MANUAL DE 5 VELOCIDADES FONTE: GILLESPIE, 1992

25 FORÇAS RESISTIVAS As forças resistivas, conforme o próprio nome já sugere, são forças que se opõem ao movimento do veículo Força de Arraste Aerodinâmico As forças aerodinâmicas ( D ) são resultantes do atrito viscoso que existe A devido ao escoamento do ar com a carroceria do veículo. Segundo GILLESPIE (1992), a força de arrasto aerodinâmico pode ser estimada através da equação (3-2). D A = 1 ρ 2 2 ( Vrel ) A C D (3-2) O maior problema desta equação está na determinação do coeficiente de arrasto aerodinâmico C D. Este valor é determinado por experimentos em túnel de vento utilizando-se, normalmente, modelos em escala. Na ausência desta possibilidade, este valor deve ser adotado por semelhança entre o veículo que está sendo estudado, e em banco de dados de coeficientes de veículos com semelhança geométrica, figura 7. FIGURA 7 COEFICIÊNTES AERODINÂMICOS PARA TIPOS DE CARROCERIA FONTE: GILLESPIE, 1992

26 15 Cabe ressaltar também outra particularidade desta equação. Nela, o termo relativo à velocidade deve ser entendido com sendo a velocidade relativa (V rel ) entre a carroceria do veículo e o vento Resistência ao Rolamento A resistência ao rolamento é gerada a partir do atrito do pneu com o piso, que é calculado pelo coeficiente de resistência ao rolamento e peso do veículo, através da equação (3-3). O coeficiente de resistência ao rolamento varia de acordo com o tipo de pneu (pressão e dimensão) e o tipo de piso conforme a figura 8. Pela pouca variação do coeficiente de resistência ao rolamento no asfalto considera-se a mesma como constante de valor 0,02. R f x = r W (3-3) FIGURA 8 COEFICIÊNTE DE RESISTÊNCIA AO ROLAMENTO PELA PRESSÃO DOS PNEUS FONTE: GILLESPIE, 1992

27 Resistência à Inclinação da Pista A inclinação do veículo gera uma força a partir da decomposição do peso do veículo, conforme demonstrado na figura 9. A sua determinação matemática também é simples está mostrada na equação (3-4). R Θ = m g sen Θ (3-4) FIGURA 9 FORÇA DE RESTÊNCIA A INCLINAÇÃO ATUANDO NO VEÍCULO FONTE: GILLESPIE, CARREGAMENTO DINÂMICO NOS EIXOS Quando um veículo está acelerando, a distribuição de peso estática nos eixos é afetada. Nesta circunstância, observa-se um aumento no carregamento vertical sobre o eixo traseiro e uma diminuição no carregamento sobre o eixo dianteiro. Para se determinar, matematicamente, esta distribuição dinâmica dos pesos nos eixos, aplica-se uma somatória de forças e momentos nos eixos, acrescentando-se a força de inércia que atua sobre o CG do veículo. As forças que atuam em um veículo sob aceleração em uma rampa estão demonstradas na figura 10.

28 17 FIGURA 10 FORÇAS ARBITRÁRIAS ATUANDO NO VEÍCULO FONTE: GILLESPIE, 1992 Aplicando-se o somatório de torques e forças nos pontos de apoio do pneu com o solo (pontos A e B na figura), obtém-se as equações (3-5) e (3-6), que correspondem, respectivamente, ao carregamento nos eixos dianteiro e traseiro. W W f r W W. c.cosθ DAha axh W. h. sinθ g = L W W. b.cosθ + DAha + a xh + W. h. sinθ g = L (3-5) (3-6) 3.8 MASSA EQUIVALENTE O motor do veículo, além de prover a aceleração longitudinal do veículo, tem que prover a aceleração angular necessária para modificar a rotação das partes girantes, como a roda, o volante do motor, as engrenagens da caixa de mudanças. A fim de facilitar o cálculo da aceleração do veículo, alguns autores utilizam o conceito de massa equivalente, como é o caso de GILLESPIE (1992).

29 18 Tal conceito consiste, basicamente, em substituir os efeitos da inércia das massas rotativas acrescentando uma massa não rotativa fictícia ao veículo. Desta forma, o veículo seria considerado mais pesado, porém, sem mais ter peças rotativas. O que se determina é um valor, determinado de fator de massa, que multiplica a massa real do veículo, obtendo-se, assim a sua massa equivalente. Segundo GILLESPIE (1992), o fator de massa ( f m ) pode ser obtido através da equação (3-7) ou da tabela 1. ( N N ) 2 f m = 1+ 0,04 + 0,0025 t f (3-7) TABELA 1 FORÇAS ARBITRÁRIAS ATUANDO NO VEÍCULO Fator de massa Marcha Veiculo Alta 2º 1º Baixa Passeio Pequeno Passeio Grande Caminhão FONTE: T. GILLESPIE, ACELERAÇÃO A aceleração do veículo é calculada por intermédio da equação (3-8), que é a a equação de Newton, entretanto, está reapresentada neste trabalho a fim de realçar a peculiaridade de se considerar a massa equivalente para o seu cálculo. A força líquida utilizada nesta equação está apresentada no capítulo a = x F m líq eq (3-8)

30 LIMITE DE TRAÇÃO PNEU/SOLO Um veículo não consegue tracionar mais do que o solo permite, ou seja, existe um limite de força que o pneu consegue aplicar ao solo, e que, quando extrapolado, o pneu começa a patinar perdendo capacidade de tração. Tal força máxima de tração é obtida através da equação (3-9). F s = μ W t (3-9) Nesta equação aparece o termo representativo do coeficiente de atrito entre o pneu e o solo. Tal coeficiente não é um valor constante, e varia conforme o tipo do solo e da velocidade conforme está mostrado na figura 11. FIGURA 11 COEFICIÊNTE DE FRICÇÃO PELA VELOCIDADE FONTE: GILLESPIE,1992

31 VELOCIDADE TEÓRICA DO VEÍCULO A velocidade teórica do veículo pode ser determinada a partir da rotação do motor, da relação de marcha, da relação de diferencial e do raio dinâmico do pneu, conforme mostrado na equação (3-10). = RPM V r 2π (3-10) 60 N d t N f 3.12 FORÇA LÍQUIDA A força líquida é um balanço entre a força trativa disponibilizada pelo motor e pelo sistema de transmissão, e a somatória das forças resistivas totais, como a força de arraste aerodinâmico, a força de resistência ao rolamento e a força de resistência a inclinação da pista. A equação (3-11) apresenta tal balanço. A resultante é a força líquida. Esta força é aquela que promove a movimentação do veículo, em movimento acelerado e em movimento constante. F = F D R R liq t a x Θ (3-11) 3.13 ÂNGULO MÁXIMO DE INCLINAÇÃO O ângulo máximo de inclinação ( Θ máx ) é determinado quando o pneu dianteiro perde o contato com o solo, ou seja, quando W = 0. Outra forma de entendê-lo é verificar a condição angular necessária para que o vetor peso do veículo esteja atuando, exatamente, na direção do ponto de contato do pneu traseiro com o solo, f

32 21 conforme está mostrado na figura 12. A equação (3-12) apresenta, matematicamente, este ângulo. Θ máx = arctg c h (3-12) FIGURA 12 ÂNGULO MÁXIMO DE INCLINAÇÃO FONTE: GILLESPIE, ALTERADA PELOS AUTORES

33 22 4 DESENVOLVIMENTO O programa apresentado neste trabalho foi desenvolvido a partir do compilador LabVIEW (Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench), desenvolvido pela National Instruments. A opção pela utilização de tal compilador está no fato de que este apresenta uma linguagem gráfica de fácil implementação, e que permite ao usuário final uma facilidade de utilização. Nos capítulos seguintes estão mostrado a estrutura do programa e o emprego das equações apresentadas no Capítulo 3 para o cálculo da performance de um veículo. 4.1 FLUXOGRAMAS LÓGICOS DO SIMULADOR DE PERFORMANCE Uma das informações de maior relevância no dimensionamento da performance de um veículo é o tempo em que este leva para atingir uma determinada velocidade, normalmente como comparativo entre veículos é analisado a aceleração de: 0 a 60 km/h ou de 0 a 100 km/h. Outro fator comparativo é o tempo que o veículo leva para percorrer os primeiros 400m ou o primeiro quilômetro. A determinação destes fatores está diretamente relacionada a capacidade de aceleração do veículo. Para o cálculo da aceleração ao longo do tempo são utilizadas algumas variáveis. A forma como elas foram implementadas no simulador de desempenho estão explicadas a seguir sob a forma de fluxograma lógico Troca de Marcha A velocidade do veículo aumenta a cada instante de tempo t, e cada marcha do veículo atinge uma determinada velocidade máxima, que é fixada pela rotação

34 23 máxima do motor. Com isso, para o cálculo da aceleração de um veículo, é necessário determinar-se o instante correto de troca de marcha. A troca de marcha implementada no simulador de desempenho está apresentada no Erro! Fonte de referência não encontrada.. FLUXOGRAMA 1 TROCA DE MARCHA FONTE: OS AUTORES Neste fluxograma tem-se o conhecimento da velocidade do veículo em um determinado instante de tempo, representada pela letra A. Com esta velocidade calcula-se a rotação do motor por intermédio da equação (3-10), que está representado na caixa (1) do fluxograma. Na seqüência, compara-se o valor da rotação calculada

35 24 com o valor máximo para a rotação do motor. Isto está representado no item (2) do fluxograma. Se a rotação for maior do que a máxima, então a marcha é trocada para a imediatamente superior, ponto (3) do fluxograma, ou, caso contrário, a marcha é mantida, ponto (4) do fluxograma. Ao final desta comparação, a marcha para os cálculos seguintes está determinada, conforme representado no ponto (D) do fluxograma Força Trativa nas Rodas Para que o veículo tenha aceleração é necessário que tenha uma força trativa nas rodas. Esta força é gerada pelo motor e transferida às rodas pelo trem de força. Na partida do veículo da imobilidade, ou seja, com velocidade igual a zero, a força trativa nas rodas pode ser maximizada utilizando-se, na prática, um balanceamento entre o acoplamento da embreagem e a posição do pedal do acelerador. Desta forma, o motorista mantém o motor na faixa de torque máximo até que o veículo atinja a velocidade correspondente àquela rotação para a primeira marcha. Após este instante, a embreagem está totalmente acoplada e o pedal do acelerador está totalmente pressionado, e o torque disponível do motor para o sistema de transmissão será dado através da evolução da curva de torque do motor e das evoluções das marchas. A determinação da força trativa nas rodas segue o demonstrado no Erro! Fonte de referência não encontrada..

36 25 FLUXOGRAMA 2 FORÇA TRATIVA NAS RODAS FONTE: OS AUTORES Pelo campo (E) tem-se a informação do valor do torque máximo do motor e em que rotação ele ocorre. No bloco seguinte, nomeado como (5), calcula-se, por intermédio da equação (3-10), a velocidade em primeira marcha relativa àquela rotação do motor. Este valor é comparado, dentro do campo (6), com a velocidade real do veículo no instante t dada no campo (A). Se a velocidade real for menor do que a velocidade do campo (F), então o simulador utiliza o máximo torque do motor para calcular a força trativa nas rodas, no campo (9), através da equação (3-1) para a

37 26 marcha selecionada, informação esta que vem do campo (D). Caso a velocidade do campo (A) seja superior a velocidade do campo (F), então é necessário calcular o torque do motor para a rotação específica que o motor se encontra. Para encontrar esta rotação, o simulador utiliza a equação (3-10), e encontra o valor do torque por interpolação linear, dentro do campo (8), para, então, da mesma forma que descrito anteriormente, calcular a força trativa nas rodas, no campo (9). O valor da força trativa nas rodas é disponibilizado no campo (G) Força Trativa ao Solo Conforme mencionado no Capítulo Erro! Fonte de referência não encontrada., o contato pneu/solo suporta uma determinada máxima força trativa, acima da qual ocorrerá deslizamento do pneu. O fluxograma 3 mostra como esta força limite é calculada. FLUXOGRAMA 3 LIMITE DE TRAÇÃO PNEU/SOLO

38 27 FONTE: OS AUTORES Este fluxograma parte da informação da velocidade do veículo no instante t, no campo (A). No campo seguinte, o campo (10), calcula-se a velocidade relativa do veículo com o vento e, então, no campo (11), por intermédio da equação (3-2), o simulador calcula a força de arraste aerodinâmico. De posse deste valor e da aceleração, no campo (O), é calculada a carga dinâmica nos eixos, no campo (12), por intermédio das equações (3-5) e (3-6). Por fim, no campo (13), é calculada a força trativa máxima pneu/solo por intermédio da equação (3-9) Cálculo da Força de Resistência Quando o veículo se movimenta geram-se forças contrárias a este movimento. Tais forças são chamadas de forças resistivas. O Erro! Fonte de referência não encontrada. apresenta como esta força é calculada. FLUXOGRAMA 4 FORÇA DE RESISTÊNCIA (J) Arrasto ao rolamento (I) Arrasto Aerodinâmico (14) Cálculo da força de resistência (K) Resistência à inclinação FONTE: OS AUTORES (L) Força de Resistência A força de resistência ao rolamento é calculada a partir da soma da força de arraste aerodinâmica, calculada conforme mostrada no fluxograma 3 e disponibilizada no campo (I); da força de resistência ao rolamento, calculada no campo (J) pela

39 28 equação (3-3); e da força de inclinação da pista, calculada no campo (K) por intermédio da equação (3-4). A somatória destas forças é disponibilizada no campo (L) deste fluxograma Cálculo da Aceleração e Velocidade A aceleração do veículo depende da força trativa no pneu. Em algumas ocasiões, esta força trativa disponível pode ser maior do que o limite que o pneu/solo pode suportar. Neste caso, o simulador deve reconhecer tal limite para o correto cálculo da aceleração do veículo. A explicação dos campos do Erro! Fonte de referência não encontrada., e o mesmo, mostram como a aceleração do veículo é calculada. Antes de iniciar o cálculo da aceleração é necessário saber qual força trativa utilizar, a disponível no pneu ou a máxima que o pneu/solo pode suportar sem patinar. Estas duas forças foram calculadas em fluxogramas anteriores, e disponibilizadas nos campos (G) e (H). No campo (15) o simulador faz a comparação e decide, sempre, em utilizar aquela que possui o menor valor, passando pelo campo (16) ou (17). No campo (18) é calculada a força líquida, por intermédio da equação (3-11), com a informação da força trativa utilizada com a subtração da força de resistência, calculada em fluxograma anterior, e disponibilizada no campo (L). Com a força líquida determinada, o simulador calcula, no campo (19), a aceleração para aquele instante de tempo por intermédio da equação (3-8) disponibilizada no campo (O). De posse da aceleração para aquele instante de tempo, campo (O), o simulador calcula a nova velocidade correspondente, no campo (2), bem como o incremento na distância percorrida. Deste ponto, o simulador armazena os dados para, ao final dos cálculos, apresentar os gráficos de aceleração e de velocidade com o tempo, nos campos (I) e (II).

40 29 O cálculo da aceleração é feito a cada décimo de segundo, porém, o operador do simulador pode alterar este valor se assim o desejar. FLUXOGRAM A 5 ACELERAÇÃO E VELOCIDADE (G) Força Trativa nas rodas (H) Força trativa ao solo (15) Comparação entre a força trativa nas rodas com a força trativa ao solo Se a força trativa nas rodas for maior que força trativa ao solo Se a força trativa nas rodas for menor que a força trativa ao solo (16) Utiliza força trativa ao solo (17) Utiliza a força trativa nas rodas (L) Força de resistência (18) Cálculo da força líquida (N) Força líquida (19) Cálculo da aceleração (O) Aceleração (20) Cálculo da nova velocidade (I) Gráfico de aceleração em relação ao tempo (II) Gráfico da velocidade em relação ao tempo Variação de tempo (21) Cálculo do tempo atual (M) Tempo Anterior

41 30 FONTE: OS AUTORES Critério de Parada do Algoritmo Para que o programa seja interrompido, a aceleração deve ser aproximadamente zero, assim será gerada a velocidade máxima do veículo. O programa utiliza a diferença da velocidade anterior com a velocidade atual, comparado com a variação do tempo ( Δ t ) multiplicado por 0, ESTRUTURA DO PROGRAMA Este capítulo apresenta, de forma geral, como o programa está estruturado, ou seja, apresenta como o usuário informa os dados de entrada, mostra os processamentos principais, e indica os dados de saída disponíveis Dados de Entrada do Programa Para que o programa possa executar os cálculos, é necessário inserir alguns dados importantes. Estes são parâmetros que o engenheiro precisa identificar de acordo com o projeto que ele deseja efetuar, os mesmos podem ser alterados após a primeira execução. Os dados de entrada são: Valores discretos do torque do motor para cada rotação específica (figura 13, campos 1 e 2); Relação, eficiência e inércia, do diferencial e marcha (figura 14, campos 1 e 2); Coeficiente de arraste aerodinâmico (figura 15, campo 1);

42 31 Área frontal (figura 15, campo 2); Coeficiente de resistência ao rolamento, (figura 15, campo 3); Coeficiente de atrito do pneu com o solo, (figura 15, campo 4); Raio dinâmico da roda, (figura 15, campo 5); Ângulo de rampa Θ, (figura 15, campo 6); Centro de pressão aerodinâmica, ou seja, distância do solo ao ponto resultante do arrasto aerodinâmico, (figura 15, campo 7); Distância do centro de gravidade ao solo, (figura 15, campo 8); Distância entre os eixos, (figura 15, campo 9); Peso estático no eixo dianteiro e traseiro (figura e 11); Densidade do ar, (figura 16, campo 1); Aceleração gravitacional, (figura 16, campo 2); Velocidade do vento, (figura 16, campo 3), positiva para o vento contra a direção do veículo e negativa na direção do veículo; Incremento temporal para a análise, Δ t, (figura 16, campo 4). FIGURA 13 TABELA DE TORQUE PELA ROTAÇÃO

43 32 FONTE: OS AUTORES FIGURA 14 CARACTERÍSTICAS DA TRANSMISSÃO

44 33 FONTE: OS AUTORES FIGURA 15 ESPECIFICAÇÕES DO VEÍCULO FONTE: OS AUTORES FIGURA 16 ESPECIFICAÇÕES DO AMBIENTE FONTE: OS AUTORES Processamento do programa Os programas desenvolvidos no LabVIEW são chamados de Virtual Instrumets, ou VI s, por que as operações destes simulam instrumentos reais.

45 34 Os cálculos executados pelo programa principal são gerados a partir de linhas de programação. Para efeito de clareza na leitura deste trabalho, as figuras que mostram as VI s estão condensadas no apêndice Dados de Saída O programa apresenta para o usuário uma série de dados de saída que o auxiliam na interpretação do desempenho do veículo simulado. Os dados de saída são: Rotação máxima, rotação de marcha lenta ou rotação mínima (figura 17, campos 1, e 2); Torque máximo (figura 17, campo 3); Valores discretos da potência do motor para determinadas rotações (figura 17, campo 4); Curva de torque e potência em relação à rotação (figura 18); Velocidade mínima, velocidade máxima e velocidade de troca para cada marcha (figura 19, campos 1, 2 e 3); Velocidade de máximo torque em 1 marcha (figura 19, campo 4); Força trativa pela velocidade por marcha, somatório das forças de resistência, força trativa em baixa aceleração (figura 20); Massa total do veículo (figura 21, campo 1); Ângulo geométrico máximo de inclinação - quando perde o contato do pneu dianteiro com o solo (figura 21, campo 2); Ângulo de máxima inclinação (figura 21, campo 3); Distância entre o centro de gravidade e o eixo dianteiro, distância entre o centro de gravidade e o eixo traseiro (figura 21, campos 4 e 5);

46 35 Peso do veículo (figura 21, campo 6); Escalonamento de marcha (figura 22); Desenvolvimento da velocidade do veículo ao longo do tempo (figura 23, campo 1); Distância percorrida pelo veículo ao longo do tempo (figura 23, campo 2); Aceleração desenvolvida pelo veículo ao longo do tempo (figura 23, campo 3); Velocidade máxima (figura 23, campo 4); Tempo necessário para o veículo percorrer uma determinada distância desejada - neste exemplo = 400m (figura 23, campo 5); Tempo necessário para o veículo atingir uma determinada velocidade desejada - neste exemplo = 100km/h (figura 23, campo 6); FIGURA 17 TABELA DE POTÊNCIA E DADOS DO MOTOR

47 36 FONTE: OS AUTORES FIGURA 18 CURVA DE TORQUE E POTÊNCIA EM FUNÇÃO DA ROTAÇÃO FONTE: OS AUTORES

48 37 FIGURA 19 VELOCIDADE MÁXIMA POSSÍVEL POR MARCHA E VELOCIDADE DE TROCA FONTE: OS AUTORES FIGURA 20 FORÇA TRATIVA EM FUNÇÃO DA VELOCIDADE FONTE: OS AUTORES

49 38 O gráfico apresentado na figura 20, merece uma explicação particular. Nele é possível ver algumas curvas côncavas, como a curva na cor azul claro. Estas curvas representam a força trativa disponível no pneu para cada marcha. Estas curvas têm uma característica semelhante à curva de torque do motor, pois elas são obtidas, de uma forma simplificada, a partir da multiplicação do torque disponível no motor pelas relações de redução no trem de força. Mais detalhes estão disponíveis no capítulo 3.4. Nota-se uma diferença, decréscimo do torque, entre as curvas à medida que as marchas aumentam, e também um aumento na velocidade associada a cada uma das curvas. Isto se deve ao fato das marchas, ditas como mais altas, possuem uma relação de redução menor. Também é apresentada neste gráfico uma curva em forma de parábola. Esta curva representa a somatória das forças resistivas. Maiores detalhes estão disponíveis no capítulo 3.6. A linha horizontal neste gráfico, apresentada, aproximadamente, na meia altura, representa a força trativa máxima entre o pneu e o solo para baixas acelerações. A linha pontilhada preta apresenta a força trativa aplicada com a presença de aceleração. Esta curva, no seu início, é superior a curva apresentada anteriormente. Isto é possível, pois, com a presença da aceleração, o carregamento no eixo traseiro aumenta o que, conseqüentemente, aumenta o limite de tração entre o pneu e o solo. Um ponto importante neste gráfico é o ponto de encontro da força resistiva total com a força trativa nos pneus. Este ponto de encontro, mostrado pela seta na figura 20, representa a velocidade máxima teórica para o veículo.

50 39 FIGURA 21 ESPECIFICAÇÕES DO VEÍCULO FONTE: OS AUTORES FIGURA 22 ESCALONAMENTO DE MARCHA (CAIXA DE CÂMBIO) FONTE: OS AUTORES

51 40 FIGURA 23 GRÁFICO DA ACELERAÇÃO E VELOCIDADE PELO TEMPO FONTE: OS AUTORES

52 41 5 VALIDAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS Este capítulo apresenta, primeiramente, uma validação dos resultados do simulador de desempenho para um veículo comercial, ou seja, cujas as características são conhecidas e originais de fábrica. Na seqüência, é demonstrado três estudos de caso onde, de maneira progressiva, algumas alterações estão implementadas no sentido de obter-se uma melhor performance em 0-400m. 5.1 VALIDAÇÃO PARA UM VEÍCULO ORIGINAL Para validar o programa é utilizado como base os dados do veículo Ford Taurus GL sedan 3.0L (carro de passeio) segundo GILLESPIE (1992). Com todos os dados do veículo original inseridos, o programa gera os resultados numericamente e graficamente, os resultados são gerados de forma resumida e simples sem dificuldades de entendimento. A fim de facilitar o entendimento e otimizar a leitura do trabalho, os valores apresentados no capítulo 4.2 são os referentes ao veículo citado acima. Os dados obtidos pelo programa condizem com os dados reais conforme o fabricante e coerente com o tipo de veículo pelas suas características, como: veículo de passeio, sedan, média potência. 5.2 VEÍCULO MODIFICADO Este capítulo apresenta a melhora do veículo para uma competição de arrancada que tem como objetivo menor tempo para percorrer os primeiros 400 m e, implicitamente, o menor tempo de 0 à 100 km h.

53 42 Mudanças são aplicados sobre o veículo original, de forma gradativa, ou seja, primeiramente é alterado o motor e verificado o resultado, em seguida, é retirado peso e coeficiente de fricção pneu, e novamente, analisado o resultado, e assim por diante até a configuração final. Os resultados estão demonstrados no capitulo Alteração do Torque do Motor Para melhorar o torque do motor, é simulada a instalação de um blower (compressor mecânico) para melhorar a admissão de ar, e, conseqüentemente, um acréscimo de torque em torno de 20% do original. A Tabela 2 mostra os dados de torque e rotação para o motos alterado. TABELA 2 ROTAÇÃO E TORQUE DO MOTOR ALTERADO Rotação [RPM] Torque [N.m] Rotação [RPM] Torque [N.m] , , , , , , , , , , , ,96 FONTE: OS AUTORES Alteração Peso e Pneu A alteração seguinte aplicada ao veículo refere-se à redução de peso. Simulase a substituição do capô original por um mais leve (ex.: fibra de carbono) e retirada de elementos não necessários (ex.: vidro traseiro, bancos, forração e pneu de socorro). Reduzindo assim 10% o peso no eixo dianteiro e 20% no eixo traseiro. Também é modificada a configuração do pneu para que se obtenha um maior coeficiente de fricção (ex.: aumento da largura do pneu, desenho e composição da

54 43 borracha). Porém, com esta modificação, ocorre também um aumento no coeficiente de resistência ao rolamento. Foi estimado um aumento do coeficiente de fricção entre o pneu e o solo de 50%, e o coeficiente de resistência ao rolamento um aumento de 300%. A Tabela 3 mostra os dados do veículo alterado para a situação descrita acima. TABELA 3 ALTERAÇÃO DO PNEU Parâmetro Valor Coeficiente de resistência ao rolamento 0,08 Coeficiente de fricção 1,2 Peso estático no eixo dianteiro [N] 7795 Peso estático no eixo traseiro[n] 3900 FONTE: OS AUTORES Alteração Escalonamento de Marchas Para que ocorra uma melhor transferência de torque do motor às rodas, e para que seja possível utilizar, de forma mais efetiva o torque disponível, evitando descontinuidades muito grandes entre as curvas mostradas no gráfico da figura 24, é necessário fazer alterações na relação de marcha, tornando as relações mais próximas. A Tabela 4 mostra os valores do escalonamento de marchas modificado. TABELA 4 ALTERAÇÃO DO ESCALONAMENTO DAS MARCHAS Marcha Eficiência Relação Inércia 1º 0,966 3,28 1,3 2º 0,967 2,8 0,9 3º 0,972 2,4 0,7 4º 0, ,5 5º 0,97 1,7 0,3 FONTE: OS AUTORES

55 Resultados das alterações A Tabela 5 apresenta, de uma forma resumida, as variações percentuais, para mais ou para menos, resultante das seguidas alterações. É importante ressaltar que as modificações foram aplicadas umas sobre as outras, ou seja, a primeira variação refere-se à ganhos ou perdas obtidas a partir da aplicação da alteração do torque do motor sobre o veículo original. A segunda variação refere-se a uma alteração do peso e pneu feita sobre o veículo que já estava com o motor alterado, e assim por diante. TABELA 5 RESULTADOS DAS ALTERAÇÕES EM RELAÇÃO AO VEÍCULO ORIGINAL Original Alteração do torque 1ª Variação Alteração do peso e pneu 2ª Variação Alteração no escalonamento de marchas 3ª Variação Velocidade máxima [Km/h] Tempo de aceleração 0 a 400 m [s] Tempo de aceleração 0 a 100 km/h [s] 253,6 284,3 12,1% 246,8-2,6% 197,7-22,05% 17,12 16,89 1,3% 15,52 9,3% 15,19 11,27% 9,68 9,52 1,65% 7,54 22,11% 7,25 25,10% FONTE: OS AUTORES Pode-se observar que, após a primeira alteração, houve um ganho em todos os parâmetros. Isto já era de se esperar pois tendo-se mais força para impulsionar o veículo, mais rápido ele irá acelerar e maior será a sua velocidade máxima. O importante é observar que, esta alteração do torque no motor de 20% diminuiu somente em 1,3% o tempo para o veículo de 0 a 400m e somente 1,65% para atingir 100km/h.