UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA ANTONIO MARCOS MACIEL DA SILVA

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1 UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA ANTONIO MARCOS MACIEL DA SILVA ANÁLISE VIRTUAL COMPARATIVA ENTRE SUSPENSÃO MECÂNICA E PNEUMÁTICA UTILIZADA EM SEMIRREBOQUE CAXIAS DO SUL 2014

2 2 ANTONIO MARCOS MACIEL DA SILVA ANÁLISE VIRTUAL COMPARATIVA ENTRE SUSPENSÃO MECÂNICA E PNEUMÁTICA UTILIZADA EM SEMIRREBOQUE Trabalho de conclusão de curso apresentado como parte dos requisitos para obtenção do Título de Engenheiro Mecânico na Universidade de Caxias do sul. Caxias do Sul 2014

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4 4 RESUMO O presente trabalho tem como objetivo gerar um comparativo técnico, embasado em dados relativos à dinâmica veicular, obtidos de forma virtual, de dois modelos de suspensão: a suspensão mecânica com feixe de molas trapezoidal e a suspensão pneumática de braço rígido, sendo esses os dois modelos mais utilizados em implementos rodoviários para transporte de cargas no Brasil. Para tanto foi utilizado o software TruckSim, para a realização das análises virtuais. Foram levantados dados de ride (conforto) para avaliações de conforto e handling (dirigibilidade), para as avaliações de tombamento do veículo. Para conforto os sinais de aceleração vertical e longitudinal, foram coletados na posição da cabine do cavalo em simulações de costelas de vaca e cabeceira de ponte, e os dados analisados seguindo os critérios da Norma ISO 2631 (1978). Anteriormente para o levantamento dos dados para a análise de handling, foram simulados veículos em manobras de Double lane change (simulação de ultrapassagem) e circle test ( figura zero ou manobra de pátio), que seguiram os critérios das normas ISO e ISO 4138, respectivamente. Foram alterados dados de entrada como rigidez e curva de amortecimento, quando aplicável, para verificar a atitude dos semirreboques em tais situações, chegando-se a conclusão que, para a proposta deste estágio, a suspensão pneumática para semirreboques demonstrou ser mais estável e confortável que uma suspensão mecânica. Palavras chave: simulação, virtual, conforto, tombamento, semirreboque.

5 5 ABSTRACT This paper aims to generate a technical comparison, based on dynamic virtual data, between two models of suspensions: leaf spring mechanical suspension and air link suspension, (with rigid arm), these being the two most widely used models for trailers/semitrailers in Brazil. For both suspensions, the software TruckSim was used for the realization of virtual analysis. The parameters evaluated are ride comfort and handling, and rollover. For the comfort analysis, was verified the vertical and longitudinal acceleration, (fore aft), in the tractor cab, in urban and road streets, and the data analyzed according to the criteria of ISO 2631 (1978). The data for the analysis of handling, was acquired during simulations maneuvers of double lane change and circle test, which follow the criteria s ISO and ISO 4138, respectively. Input data such as stiffness and damping curve, when applicable, to verify the behavior of the vehicles. And the final conclusion for this aim is that the pneumatic suspension is more steady and comfortable than mechanical suspension. Keywords: Simulation, virtual, rollover, semitrailers.

6 6 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 - Suspensão dependente e suspensão independente Figura 2 Suspensão tipo McPherson Figura 3 Suspensão dependente com eixo rígido Figura 4 Suspensão 6x4 para cavalo mecânico Figura 5 Grafico de histerese de um feixe de molas Figura 6 Suspensão para semirreboque tandem 3 eixos Figura 7 Componentes de suspensão mecânica Figura 8 Suspensão pneumática braço rígido Figura 9 Compnentes suspensão pneumática Figura 10 Sistema de coordenadas de um veículo conforme SAE J Figura 11 Aquisição de sinais para análise de ride Figura 12 Frequência natural dos órgãos do corpo humano Figura 13 Gráfico de conforto norma ISO 2631 (1978) Figura 14 Ângulo de escorregamento Figura 15 Variação de esterço com a aceleração lateral Figura 16 Variação da força lateral em função da carga vertical Figura 17 Rolagem lateral em uma curva Figura 18 Modelo para SRT Figura 19 Semirreboque bi trem graneleiro carga alta Figura 20 Suspensão 6x Figura 21 Suspensão mecânica para semirreboque Figura 22 Suspensão pneumática para semirreboque Figura 23 Gráfico rigidez do pneu Figura 24 Gráfico de rigidez dinâmica de um feixe de molas Figura 25 Gráfico de rigidez dinâmica de uma bolsa pneumática Figura 26 Gráfico da curva de um amortecedor Figura 27 Gráfico de análise de conforto Figura 28 Manobra de double lane change Figura 29 Manobra de circle test Figura 30 Rolagem de um veículo Figura 31 - Simbologias Figura 32 - Simulações em double lane change... 41

7 7 Figura 33 - Simulações em circle test Figura 34 Dimensões para o modelo de cálculo Figura 35 - asdasjfjakfjjdfj Figura 36 - Detalhe da aceleração vertical em cabeceira de ponte Figura 37 - Aceleração longitudinal Figura 38 - Aceleração vertical na suspensão mecânica em costelas de vaca Figura 39 - Aceleração vertical na suspensão pneumática em costelas de vaca Figura 40 - Aceleração longitudinal suspensão mecânica em costelas de vaca Figura 41 - Aceleração longitudinal suspensão pneumática em costelas de vaca Figura 42 - Eixos de referência corpo humano Figura 43 - Aceleração vertical conforme ISO 2631 (1978) em costela de vaca - fadiga Figura 44 - Aceleração vertical conforme ISO 2631 (1978) em costelas de vaca conforto reduzido Figura 45 - Aceleração longitudinal conforme ISO 2631 (1978) em costelas de vaca - fadiga Figura 46 - Aceleração longitudinal conforme ISO 2631 (1978) em costelas de vaca - conforto reduzido Figura 47 - Simbologias para suspensões mecânicas Figura 48 - Simbologias para suspensões pneumáticas Figura 49 - Comparativo de circle test entre suspensões mecânicas Figura 50 - Comparativo de aceleração vertical em cabeceira de ponte para suspensões mecânicas Figura 51 - Comparativo de double lane change entre suspensões pneumáticas Figura 52 - Comparativo de aceleração vertical em cabeceira de ponte para suspensões pneumáticas Figura 53 - Dados para suspensão mecânica/pneumática do primeiro implemento Figura 54 - Dados para suspensão mecânica/pneumática do segundo implemento Figura 55 - Cinemática da suspensão mecânica Figura 56 - Cinemático da suspensão pneumática Figura 57 - Curva do amortecedor da suspensão pneumática Figura 58 - Costelas vaca 7 Hz Figura 59 - Costelas de Vaca 9 Hz Figura 60 - Costelas de Vaca 11 Hz Figura 61 - Costelas de Vaca 13 Hz... 66

8 Figura 62 - Costelas de Vaca 15 Hz

9 9 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO DESCRIÇÃO DA EMPRESA JUSTIFICATIVA DO TRABALHO OBJETIVOS DO TRABALHO Objetivo geral Objetivos específicos REVISÃO BIBLIOGRÁFICA SUSPENSÕES VEICULARES SUSPENSÕES PARA VEÍCULOS COMERCIAIS Suspensões mecânicas com molas trapezoidais Suspensão tipo tandem Suspensão pneumática TÓPICOS DE DINÂMICA VEICULAR Dinâmica vertical (Ride) Relação entre conforto e ride Dinâmica lateral (handling) Distribuição do momento de rolagem Limite ao tombamento (static rollover treshold) METODOLOGIA DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO MATERIAIS E MÉTODOS Simbologias utilizadas AVALIAÇÕES EM DOUBLE LANE CHANGE AVALIAÇÕES EM CIRCLE TEST Comparação analítica dos resultados da simulação de circle test AVALIAÇÕES EM CABECEIRAS DE PONTE E COSTELAS DE VACA Avaliações de conforto conforme ISO 2631 (1978) AVALIAÇÕES DOS VEÍCULOS COM PARÂMETROS ALTERADOS Simbologias utilizadas Comparação dos implementos com suspensões mecânicas Comparação entre os veículos com suspensão pneumática... 56

10 10 5 CONCLUSÕES ANEXO A...61 ANEXO B...63

11 11 1 INTRODUÇÃO Transportar consiste em mover alguém ou algo de um lugar ao outro, e o transporte rodoviário por meio de caminhões está relacionado a sistemas de suspensões. Com os avanços tecnológicos atuais, a suspensão se tornou um dos principais conjuntos que compõe os veículos, tanto de passeio quanto comerciais, pois é ela que garante estabilidade ao veículo. Com o cenário atual da indústria automobilística onde carros e caminhões estão cada vez mais leves e mais potentes, a suspensão deve ser bem projetada para que o veículo rode com segurança. Outra função muito importante da suspensão é a de conceder conforto aos passageiros e a carga. Este fator pode ser decisivo na hora do consumidor decidir sua compra. Conforme Gillespie (1992), as principais funções de uma suspensão são: proporcionar isolamento no sentido vertical da massa suspensa do veículo; manter as rodas alinhadas com a trajetória do veículo; gerar reação para o controle de forças produzidas pelos pneus: força longitudinal, forças laterais e torques de frenagens; resistir ao rolamento do chassi em curva; manter os pneus em contato com o pavimento com mínimas variações de carga. Para Costa (2009), as suspensões devem possuir um baixo custo inicial, de operação e manutenção. Piazza (2002) e Schuck (2006), afirmam que baixo custo é uma exigência de mercado, mas para se ter todas as características necessárias a uma suspensão adequada, o custo inicial poderá ser alto. O desafio deste trabalho é realizar um resumo explicativo, comparando por meio de análises virtuais, os dois modelos mais utilizados de suspensão em semirreboques no Brasil, a suspensão mecânica com mola trapezoidal e a suspensão pneumática de braço rígido para implementos. 1.1 DESCRIÇÃO DA EMPRESA Em 1998, foi fundada a empresa Suspensys Sistemas Automotivos Ltda., iniciou suas atividades comerciais como uma das quatro empresas da então Randon Participações S.A, no segmento de autopeças. Quatro anos mais tarde, em 2002 a condução e inovação do negócio resultaram na criação de uma joint venture entre a Randon Participações S.A e a empresa americana Meritor Heavy Vehicle Systems, pertencente ao grupo Arvin Meritor. Hoje, a Suspensys com sede em Caxias do Sul, Rio Grande do Sul, é um moderno centro de soluções em sistemas de suspensão, fornecendo para a indústria automotiva suspensões mecânicas e pneumáticas, eixos, cubos tambores e componentes para caminhões, ônibus,

12 12 semirreboques e veículos comerciais, componentes de suspensões e peças de reposição para a Randon Implementos. A fábrica possui m² de área total sendo m² de área construída e emprega cerca de 1700 funcionários. Os principais clientes da Suspensys são Volvo, Iveco, Ford, MAN, Scania, Mercedes Benz e DAF no segmento das montadoras. Ainda neste ramo, a Sinotruck, a Hyundai e Schakman estão entrando no mercado de caminhões no país e realizando cotações e desenvolvimentos de produtos com a Suspensys. Já no ramo de semirreboques a Randon Implementos é o maior cliente. Nos últimos anos, a Suspensys vem obtendo destaque no cenário nacional principalmente com as conquistas do troféu Diamante do Prêmio Gaúcho de Qualidade e Produtividade (PGQP), foi uma das empresas finalistas do Prêmio Nacional da Qualidade (PNQ) e ficou entre as 100 melhores empresas para se trabalhar no Brasil da Revista Exame. Todas essas conquistas mostram que a empresa está bem consolidada no mercado e busca sempre a melhoria contínua de seus processos. A serviço da Suspensys, e de todas as empresas do grupo, existe o Campo de Provas das Empresas Randon, este que é um moderno centro com foco na validação de componentes com testes que simulam a real aplicação da peça. Ele ainda possui diversas pistas de testes, são elas: alta e baixa velocidade, medição de ruído, medição do coeficiente de atrito, pista circular, rampas, além das pistas especiais: cobble stones (pedras de rio), Belgian blocks (paralelepípedos), body twist, chuck holes e pot holes (buracos), washboard (costeletas) e slalom test. Há também uma área de laboratório para reprodução de testes de validação de engenharia acelerado em bancadas, construída sobre uma base sísmica, costeletas e etc. Em 2013, a Randon S.A. Implementos e Participações adquiriu mais 49,99% do capital social da Suspensys, joint venture criada em 2002 em parceria com a norte-americana Meritor. Com a aquisição, a organização de Caxias do Sul passou a deter 100% do controle acionário da fabricante de componentes para o segmento de veículos pesados. Também em 2013, foi inaugurada uma filial da Suspensys, essa unidade fabril dispõe de m² de área construída, e está localizada em Resende, no Rio de Janeiro. 1.2 JUSTIFICATIVA DO TRABALHO Para que a Suspensys possa manter-se como líder no desenvolvimento de suspensões conforme está descrito na sua visão, o trabalho precisa estar focado na melhoria contínua dos produtos, sempre surpreendendo clientes e buscando estar um passo a frente dos concorrentes. Para que suas suspensões possam ter o melhor rendimento, torna-se indispensável uma análise

13 13 funcional de aplicação dos mesmos. Cada tipo de suspensão possui uma característica específica. Muitas vezes essas características não estão claras para quem adquire um implemento. O nível de conforto, a estabilidade do veículo ao se realizar uma ultrapassagem em um curto espaço físico, são algumas das características que geralmente não são avaliadas quando se escolhe um semirreboque. O desenvolvimento de um estudo técnico, levando em conta o comportamento dinâmico de uma suspensão para as situações citadas acima poderiam, por exemplo, diminuir o nível de cansaço do motorista em uma longa viagem. Isto deixaria a jornada mais segura, diminuindo o risco de acidentes, ou amenizaria a degradação da malha rodoviária. Da mesma forma, podem-se prever condições para o tombamento em uma curva, com o veículo carregado. Cargas sensíveis a impactos necessitam de uma suspensão com um nível de conforto melhorado. Veículos trativos (cavalos mecânicos) cada vez mais confortáveis, com altos investimentos por parte das montadoras em suspensões de chassi e cabine, precisam de implementos rodoviários que acompanhem sua evolução e mantenham o nível de conforto do caminhão. Conforme descrito até o momento, torna-se justificada a comparação entre os modelos de suspensões citados anteriormente. 1.3 OBJETIVOS DO TRABALHO Objetivo geral Este trabalho tem como objetivo geral gerar um comparativo técnico, embasado em dados relativos à dinâmica veicular, obtidos de forma virtual, de dois modelos de suspensão: a suspensão mecânica com feixe de molas trapezoidal e a suspensão pneumática de braço rígido, ambas utilizadas amplamente em reboques e semirreboques, para o transporte de cargas Objetivos específicos Baseados no objetivo geral ficam estabelecidos os seguintes objetivos específicos. São eles: Com base nos dados geométricos e de propriedades de mola e amortecimento das suspensões tipo pneumática e mecânica, montar dois modelos de semirreboques no software TruckSim,, na configuração bitrem de quatro eixos.

14 14 Rodar a simulação dos dois semirreboques com cavalo 6x4 e pista padrão para avaliação de conforto e coletar os dados de aceleração vertical e longitudinal, tanto dos implementos como do cavalo. Plotar os dados de aceleração vertical e longitudinal simulados em uma pista padrão e compará-los com os gráficos de conforto da norma ISO 2631 (1978) que define o nível de conforto dos modelos de suspensão em estudo. Rodar a simulação dos dois modelos em manobras padrão para avaliação de handling e coletar os dados de roll angle (ângulo de rolagem) da massa suspensa, para avaliar a rolagem do veículo. A partir dos dados coletados nas simulações, criar um comparativo técnico de ride (conforto) e handling (análise de tombamento) entre os dois conceitos de suspensão com o propósito de auxiliar o cliente durante a decisão de compra do implemento. Alterar rigidez dos feixes de mola, e retirar os amortecedores da suspensão pneumática e verificar a influência destes parâmetros nos projetos de suspensão.

15 15 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA A revisão bibliográfica auxilia na obtenção de parâmetros que definem o método para desenvolvimento do projeto proposto neste estudo. 2.1 SUSPENSÕES VEICULARES De acordo com Schuck (2006), a função principal dos sistemas de suspensão veiculares é suportar a carga posicionada sobre a mesma, protegendo-a de perturbações e interferências oriundas do solo. Um bom projeto de suspensão deverá atender a critérios de conforto, segurança aos passageiros e proteger a carga transportada. Elementos como molas, eixos, rodas e pneus são denominados massa não suspensa. Por sua vez, o chassi, a cabine, suportes, o powertrain (trem de força), os passageiros e a carga, para estes componentes, atribuíram a denominação de massa suspensa. Para Piazza (2002), a rodagem do veículo também é uma função atribuída à suspensão. O veículo deve ser confortável, principalmente em longos deslocamentos, ainda mais quando o mesmo é empregado como meio de transporte de cargas. O mesmo autor define que os itens abaixo descrevem detalhadamente as funções de uma suspensão. Suportar a carga da massa suspensa; Propiciar estabilidade direcional ao veículo; Manter o contato do pneu com o solo nas mais diversas situações em que o veículo possa transitar; Absorver impactos provenientes das irregularidades do solo protegendo os passageiros, a carga e a própria estrutura do veículo; Promover contato para transferência de forças ente os eixos e o chassi; Equalizar a carga entre todos os eixos do veículo; Resistir ao torque de windup (torção do feixe de molas quando aplicado um torque ao mesmo); Resistir aos efeitos de curva mantendo a dirigibilidade do veículo nestas manobras; Manter o alinhamento dos eixos em relação ao chassi do veículo; Prever gama extensa de cargas e velocidades;

16 16 Para Gillespie (1992), podemos dividir as suspensões em dois grandes grupos: suspensões de eixo rígido ou dependentes e suspensões independentes. Quando se trata de veículos comerciais, a grande maioria utiliza o primeiro tipo. As diferenças de concepções destes dois tipos de suspensões citados acima fazem com que um conjunto possa se adaptar mais ou menos a determinados tipos de veículos e aplicações (Bento, Nunes e Silva, 2012). Basicamente, em suspensões dependentes, cada roda pode ter um movimento vertical independente da outra, fato que não pode ser observado nas suspensões dependentes, conforme figura 01. Figura 1 - Suspensão dependente e suspensão independente Fonte: (2011) Nas suspensões dependentes a rolagem do chassi pouco influencia a cambagem das rodas em curvas, o que pode ser uma boa vantagem (Gillespie,1992), ao passo de que para suspensões independentes, o fato de uma roda não transmitir vibrações à outra, por meio do eixo transversal que as liga, é um bom diferencial (Bento, Nunes e Silva, 2012). Destacam-se dentro das suspensões independentes as do tipo Traling Arm, (mecânica com braços tensores) Double A( duplo A), Multilink ( braços múltiplos), etc..., porém a mais difundida é a do tipo McPherson. As figuras 02 e 03 mostram uma suspensão independente tipo McPherson e uma suspensão dependente, respectivamente.

17 17 Figura 2 Suspensão tipo McPherson Fonte: (2011) Figura 3 Suspensão dependente com eixo rígido Fonte: (2011) 2.2 SUSPENSÕES PARA VEÍCULOS COMERCIAIS Qual a real finalidade de um veículo? Transportar, algo ou alguém, com o mínimo de perturbação possível, afim de que as pessoas ou as cargas transportadas não necessitem de condições ou embalagens especiais para o deslocamento. Para o caso do motorista, em especial, quanto menor o seu cansaço físico e mental, maior o nível de concentração ao volante, e por consequência, mais seguro será o percurso, para ele e os demais condutores da estrada (Frederico, Garbin e Boaretto, 2014). Embora o que está escrito no parágrafo anterior seja relevante, não é a característica mais importante em um projeto de suspensão. Manter o contato dos pneumáticos com o solo é o fundamental a ser levado em consideração, pois é através desse parâmetro que conferimos ao veículo propriedades consistentes de dirigibilidade e estabilidade (Gillespie,1992).

18 18 Para veículos pesados, certos fundamentos deverão ser observados. A função primária de uma suspensão é sustentar o peso de toda a massa suspensa do veículo. No capítulo anterior foram citadas as demais funções demandadas as suspensões. Para que tais processos ocorram devem existir forças e momentos que entram e saem do sistema. Para as entradas se consideram forças geradas do contato do pneu com o pavimento, e os deslocamentos gerados pelas imperfeições da pista. Para as saídas, consideram-se forças e momentos gerados na suspensão. Na próxima imagem, o modelo de suspensão traseira que será utilizado no cavalo mecânico, neste trabalho, mostrado na figura 04. Figura 4 Suspensão 6x4 para cavalo mecânico Fonte: Suspensys Sistema Automotivos (2014) Suspensões mecânicas com molas trapezoidais De acordo com Gillespie (1992), existem algumas vantagens na utilização da suspensão mecânica com feixe de molas, tais como o projeto mais simples e um custo relativamente baixo, o que tornou esse modelo amplamente utilizado. A função primária do feixe de molas trapezoidal é suportar a carga do chassi, além de isolar os mesmos de choques e vibrações provenientes da estrada. O feixe também deve ter um comportamento compatível tanto com o veículo vazio como carregado. Este componente possui uma elevada histerese, devido a sua concepção de montagem. Tal característica lhe confere algumas propriedades vantajosas e outras nem tanto. Como vantagem, pode-se citar o fato de que a suspensão dispensa um amortecedor, devido ao amortecimento gerado pela sua histerese, porém a desvantagem pode vir em forma de uma rigidez mecânica elevada, com valores de amplitude baixos, em função do atrito entre as lâminas. Este tipo de suspensão pode ser aplicado tanto na dianteira do veículo, com na traseira. Pode ser utilizado em cavalos mecânicos e semirreboques ou reboques.

19 19 Na figura 5, um gráfico mostrando o fenômeno da histerese que ocorre em um feixe de molas mecânico. Notar que o atrito entre as lâminas faz com que ocorra também uma força na liberação ou descompressão do feixe de molas. Figura 5 Grafico de histerese de um feixe de molas Fonte: Schuck (2006) Suspensão tipo tandem Este tópico tratará de suspensão mecânica tandem, pois juntamente com a suspensão Pneumática, serão as duas que equiparão o semirreboque, virtual de onde sairão os resultados deste estudo. O termo tandem pode ser entendido como transferir a carga, igualar ou distribuir uma porcentagem maior de carga em um dos eixos escolhidos. Por exemplo, quando uma suspensão tandem é utilizada em cavalos mecânicos com um eixo trativo. A transferência é importante para atenuar impactos provenientes do solo e para favorecer a tração e frenagem do veículo (Carraro, 2012). O balancim ou balança da suspensão mostrada na figura 06 compensa a carga nos eixos, devido a sua rotação em torno do pino central de articulação. Em cada uma das extremidades do balancim, existe o contato com o feixe de molas, que por sua vez, também mantém uma ligação com os suportes frontais e traseiros. Na parte central ou próxima ao centro de cada feixe de molas, está fixado com um determinado aperto, feito com grampos de mola. Nas extremidades de cada eixo são montados os pneus que manterão o contato com o solo. Cada eixo será mantido alinhado por meio de um par de braços. Um deles fará a ligação

20 20 entre o eixo dianteiro e o suporte frontal, enquanto o outro fará a união entre o eixo traseiro e o suporte central, onde é montado o balancim. Abaixo uma típica suspensão tipo tandem para semirreboques na figura 6. Figura 6 Suspensão para semirreboque tandem 3 eixos Fonte: Suspensys Sistemas Automotivos (2014) Os principais componentes da suspensão mecânica tipo tandem, segundo Suspensys Sistemas Automotivos (2014), são: a) Feixe de Molas Reduz os impactos provenientes do solo e faz a ligação entre os eixos e o chassi, tendo assim também uma função estrutural. Seu nome faz referência a um trapézio, pois matematicamente é muito semelhante a uma viga engastada bi apoiada. b) Separadores de mola Evitam o contato dos grampos de mola, diretamente com o feixe. Sua geometria faz com que o pacote do feixe e do eixo fique corretamente apertados. c) Apoios de Molas Faz a ligação entre o feixe de molas e o eixo. Também serve para unir os braços com os suportes. d) Suportes Existem três tipos de suportes: Central, Frontal e Traseiro. O central tem com função fazer a montagem do balancim e permitir a sua articulação através do pino. Os suportes frontais e traseiros asseguram um contato do feixe de molas e por consequência, montam a suspensão ao chassi. e) Grampos de Mola Fixam as molas aos eixos. Seu material deverá ser de alta qualidade, pois não poderão se romper durante o tráfego do veículo. f) Esfregas da Mola Ficam localizadas dentro dos suportes frontais e traseiros, assim como no interior do balancim. Sua função é evitar que o feixe de molas entre em contato diretamente com os suportes e com o balancim para que não ocorra o

21 21 desgaste prematuro desses componentes. Servem como itens de sacrifício. Seu material não poderá ter a mesma dureza das lâminas do feixe de molas. g) Braços de Ligação Comumente um é fixo e o outro é regulável, mas isto não configura uma regra. No modelo regulável pode ser realizada a geometria da suspensão quando necessária. Geralmente o sistema fica montado do lado esquerdo do veículo. A principal função dos braços é manter os eixos ligados e alinhados com a suspensão. h) Sapata do Eixo Juntamente com o apoio de molas, faz a ligação entre eixo e feixe de molas. Este componente pode ser o responsável pela fixação dos braços de ligação, no lugar dos apoios de mola. A figura 07 apresenta a vista explodida de uma suspensão típica tipo tandem para semirreboques. Figura 7 Componentes de suspensão mecânica Fonte: Suspensys Sistemas Automotivos (2014) Suspensão pneumática Em uma suspensão pneumática, o elemento elástico denomina-se balão pneumático ou bolsão de ar. Ao contrário de uma suspensão mecânica com molas trapezoidais, seu custo é

22 22 maior. Ela também pode ser um pouco mais frágil e com uma manutenção mais complexa, porém o seu nível de conforto é superior, pois a mola pneumática suporta uma grande carga, tendo uma pequena deflexão, graças à compressibilidade do gás (ar) sobre pressão e da elasticidade da bolsa elastomérica que o comprime (Console, 2007). Segundo Prado, (2009) o bolsão de ar caracteriza-se com uma mola inerentemente não linear e por sua própria natureza progressiva, onde possui característica elástica cuja rigidez aumenta automaticamente com a carga e amortecimento mais baixo, ao contrário de uma mola mecânica. A configuração mais comum para este tipo de suspensão é a do tipo trailing arm (braço de ligação), também conhecida como pneumática de braço rígido. A figura 08 mostra esse tipo de suspensão. Figura 8 Suspensão pneumática braço rigido Fonte: Suspensys Sistemas Automotivos (2014) A carga do veículo fica dividida entre buchas e as bolsas, fixadas a suportes, ligadas ao chassi, e os balões pneumáticos. Um braço rígido entre os dois tipos de elementos citados, faz a ligação entre os mesmos. Este braço, basicamente assume o papel de uma barra estabilizadora, fazendo com que a rolagem do implemento diminua (Costa, 2009). Conforme as cargas provenientes do pavimento entram no sistema de suspensão, as pressões dos balões de ar variam por meio de uma válvula reguladora de pressão alterando a

23 23 rigidez destas bolsas, ou seja, quanto maior a carga, maior a pressão de ar e vice-versa. Essa variação poderá ser constante, conforme a irregularidade do terreno (Firestone, 2014). O uso de amortecedores torna-se indispensável nesse tipo de suspensão, para proteção dos impactos e limitação do curso dos balões pneumáticos (HBZ, 2014). Quando projetada de maneira correta, o nível de conforto desta suspensão é muito satisfatório, e se utilizada em semirreboques, torna-se muito útil no transporte de cargas mais frágeis, além de ser considerada uma road friendling (amiga da estrada), quer dizer, o nível de deterioração que a mesma impõe a estrada é muito inferior a qualquer modelo de suspensão mecânica, pois transmite ao pavimento forças em escalas reduzidas (HBZ, 2014). Os principais componentes da suspensão pneumática segundo Suspensys Sistemas Automotivos (2014) são: a) Balão Pneumático É o elemento elástico da suspensão. Sua pressão varia conforme a carga imposta a ele. Comumente é fabricado de borracha. Pode possuir um batente interno para limitar o curso mínimo da suspensão. b) Braço da Suspensão Pode ser fabricado em chapa, ou ser uma mola tipo parabólica. É o elemento estrutural deste tipo de suspensão. Sua geometria quando em conjunto com o eixo, faz com que ele atue como uma barra estabilizadora. Está sujeito a grandes esforços de flexão e torção. c) Amortecedores Atenuar oscilações causadas pelo acúmulo de energia nas bolsas pneumáticas. Sua ação depende da velocidade e controle de vazão com que opera. d) Buchas da Suspensão Confeccionadas em borracha vulcanizada e tubos de aço. Possui uma rigidez característica, e uma fixação tal no sistema, que lhe confere propriedades de atuação no que diz respeito ao efeito ante rolagem da suspensão. Sua geometria e posição de montagem, a tornam um ponto de articulação. e) Suportes Liga o chassi à suspensão. Seu projeto deve considerar que este componente poderá sofrer grandes deformações, devido à torção da estrutura. Deverá ser concebido em material de alta qualidade e conter dispositivos de apoio internos que lhe garantam grande rigidez. Pode ser utilizado como recurso de alinhamento da suspensão. f) Eixo da Suspensão Ligam os dois braços de suspensão, além de receber os pneus do veículo. Abaixo a figura 09 de uma suspensão típica tipo braço rígido pneumático para semirreboques:

24 24 Figura 9 Compnentes suspensão pneumática Fonte: Suspensys Sistemas Automotivos (2014) 2.3 TÓPICOS DE DINÂMICA VEICULAR A finalidade da dinâmica veicular é avaliar os movimentos do veículo sob a sua superfície de rodagem, de uma forma que se avalie o comportamento do veículo nos sentidos laterais, longitudinais e verticais. Para o sentido lateral, deve-se preocupar como movimentos curvilíneos do veículo. Já para o sentido longitudinal, a maior preocupação deverá ser o comportamento quando em situações de frenagem e aceleração. Por fim, a dinâmica vertical atenta para oscilações oriundas das irregularidades do solo (Silva, 2012). Este trabalho abordará a dinâmica vertical (ride) e a dinâmica lateral (handling). A figura 10 caracteriza os movimentos, velocidades e acelerações do veículo, conforme proposto pelo sistema de coordenadas da SAE (Sociedade dos Engenheiros Automotivos). Figura 10 Sistema de coordenadas de um veículo conforme SAE J670 Fonte: Adaptado Gillespie (1992)

25 Dinâmica vertical (Ride) A dinâmica vertical estuda o comportamento do veículo e de seus ocupantes quando estes estão submetidos a excitações. Estas podem ser externas (vias) ou internas (roda, motor, transmissão). As imperfeições do pavimento podem ser representadas pela sua geometria, ou por dados estatísticos. A suspensão desempenha um papel fundamental, visto que os efeitos das irregularidades provenientes da pista chegam à carroceria (Silva, 2012). Existem três grandezas de interesse na dinâmica vertical. São elas: Deslocamento vertical do veículo z, bouce; Rotações em torno do eixo y, denominado pitch; Deslocamentos da roda, e por consequência da suspensão. A figura 11 mostra um escopo de aquisição de dados para análises de ride. Figura 11 Aquisição de sinais para análise de ride Fonte: Adaptado Butkunas, (1967) O veículo é um sistema dinâmico complexo que pode transformar o sinal de excitação, em outros sinais de vibração, nesse mesmo veículo, perceptíveis ao motorista (ride environment). Embora já tenha sido discutido anteriormente, sabe-se que a pista é o principal fator de excitação ao se tratar de ride. Outros fatores como desbalanceamento de rodas, motores, e sistemas de transmissões, também poderão interferir nesse sentido, (Perseguim, 2005), porém esses três últimos fatores não serão tema deste trabalho. Os principais modos de vibração que deverão ser considerados para ride são os de movimento vertical puro, conhecido por bounce, o movimento chamado de pitch, também conhecido como galope ou fore aft (Gilliespe,1992) Relação entre conforto e ride O ser humano pode ser considerado outro sistema, ainda mais complexo que uma suspensão, o qual através dos sinais de excitação, das suas características físicas e até mesmo conforme seu estado psicológico podem ter impressões relativas ao ride (ride sensations).

26 26 Esta percepção pode variar com o tempo que se permanece conduzindo, ou simplesmente andando com o veículo, como um passageiro (Perseguim, 2005). Silva (2012), diz que a faixa de velocidades, condições de carga e tipos de estrada onde os veículos automotores trafegam é bastante ampla, logo, graças a essa faixa ampla de rodagem, e a própria natureza do veículo e seus subsistemas, propiciam o aparecimento de esforços dinâmicos, que podem ser periódicos ou não, causadores de vibrações. Essas vibrações quando atuantes acabam causando sintomas como sensação de cansaço, insônia, dor de cabeça, durante ou após a exposição do indivíduo (Silva, 2012). Na figura 12, encontramse valores referentes a frequências naturais de algumas partes e órgãos do corpo humano. Figura 12 Frequencia natural dos órgãos do corpo humano Fonte: Silva (2012) Embora o corpo humano seja um sistema extremamente complexo, e dependa de parâmetros muito difíceis de quantificar, muitos testes já foram realizados para definir os limites de vibrações e acelerações que podem ser tolerados. Camargo (2012), diz que o corpo humano é relativamente sensível a vibrações verticais, compreendidas dentro da faixa de 4 a 8 Hz, tendo com esses valores ressonâncias nas cavidades viscerais. Para direções laterais e longitudinais, a faixa é de 1 a 2 Hz, entrando a parte superior do tronco em ressonância, causando assim desconforto. Entre as grandezas quantificadas, a aceleração medida no assento do motorista parece ser a mais adequada para relativas avaliações de ride, e tal grandeza é amplamente utilizada em literaturas e normas referentes ao assunto.

27 27 A norma ISO 2631(1978), mostrada na figura 13, é a norma de referência do assunto. Nela se podem verificar os limites de exposição do ser humano para certas vibrações em relação a determinadas frequências, encontrando assim um tempo de exposição limite, antes que ocorram desconfortos e perdas de raciocínio mental. (Soares, 2005). Com ela pode-se comparar resultados obtidos neste estudo, quando o assunto for relativo a conforto. A norma analisa as acelerações em função da frequência e do tempo de exposição do condutor. Figura 13 Gráfico de conforto norma ISO 2631 (1978) Fonte: ISO 2631 (1978) Dinâmica lateral (handling) A definição de dinâmica lateral já foi descrita anteriormente. Para veículos longos combinados, a mesma difere dos veículos simples, devido às instabilidades dinâmicas que podem apresentar (Vieira, 2010). Para a dirigibilidade, o veículo poderá ser avaliado de duas formas distintas, em alta velocidade e em baixa velocidade. Se visualizarmos um veículo em baixa velocidade, geralmente essas são manobras de pátio e estacionamento, verifica-se que os pneus não desenvolvem forças laterais, os mesmos tendem a rodar sem um ângulo de escorregamento lateral. Como na maioria dos veículos, as rodas traseiras não são esterçáveis, o centro da trajetória da curva se localiza em uma projeção do eixo traseiro. Para velocidades mais altas existe, em uma trajetória curva, a presença de forças laterais, geradas pelos pneus, para neutralizar a aceleração lateral do veículo, e então, em cada roda, estará presente os ângulos de escorregamento (slip angle) (Gilliespe,1992), conforme mostrado na figura 14.

28 28 Figura 14 Ângulo de escorregamento Fonte: Adaptado Gillespie (1992) O comportamento lateral de um veículo poderá ser definido por algumas características básicas principais, sendo elas o substerçamento, o sobresterçamento, o gradiente de rolagem lateral, o gradiente de esterçamento, entre outras. Para a verificação desses dados são realizadas manobras de dois tipos, as de regime permanente e de regime transitório (Costa, 2009). Manobras de regime permanente visam à obtenção de uma aceleração lateral crescente, costumam ser realizadas em curvas de raio constante, com velocidade variada, ou ainda podem ser feitas em curvas com esterçamento constante, aumentando a velocidade. Também existe a opção de se realizar uma curva, a uma velocidade constante, variando o ângulo de esterçamento do veículo. Esse tipo de manobra define se o veículo é neutro (neutral), subesterçante, ou sai de traseira (understeer) e ainda sobresterçante ou sai com a dianteira (oversteer), definindo assim uma velocidade crítica, ou um gradiente de subesterçamento (understeer gradient) (Costa, 2009). A figura 15 mostra as trajetórias under, over e neutral.

29 29 Figura 15 Variação de esterço com a aceleração lateral Fonte: Adaptado Gillespie (1992) Distribuição do momento de rolagem Para praticamente todos os pneus as forças durante as curvas não são lineares em função da carga. Isto é importante porque o pavimento transmite o carregamento na direção lateral em curvas devido à elevação do centro de gravidade do veículo sobre o plano do solo (Rosa 2013). A figura 16 mostra um gráfico da variação da carga lateral de acordo com a carga vertical do veículo. Figura 16 Variação da força lateral em função da carga vertical Fonte: Adaptado Gillespie (1992) Na verdade, esse mecanismo ocorre em ambos os eixos de todos os veículos. O que define a contribuição para o subesterçamento ou para o sobreesterçamento depende do equilíbrio dos momentos de rolagem distribuídos nos eixos dianteiro e traseiro (Rosa, 2013). Os mecanismos que regulam o momento aplicado à rolagem de um eixo são mostrados na próxima imagem. Todas as suspensões são equivalentes a duas molas. A

30 30 separação lateral das molas faz com que eles desenvolvam uma rolagem resistindo a um momento proporcional à diferença de ângulo de rolagem entre a massa suspensa do veículo e o seu eixo (Rosa, 2013). A rolagem lateral em uma curva é mostrada na figura 17. Figura 17 Rolagem lateral em uma curva Fonte: Adaptado Gillespie (1992) Limite ao tombamento (static rollover treshold) Tombamento é qualquer manobra na qual o veículo gira 90 ou mais em torno do eixo longitudinal, com o corpo do veículo mantendo contato com o solo (Gillespie, 1992). Alvo principal deste trabalho, quando falamos de dinâmica lateral, o limite ao tombamento, ou rollovertreshold (RT) é um fenômeno complexo de iteração de forças, que atuam no interior do veículo influenciada pela manobra feita na via e acontece normalmente em curvas. (Frederico, Garbin e Boareto, 2014). O static rollover treshold é a quantidade máxima de aceleração lateral, para um veículo pesado, que ele pode suportar sem capotar. Este parâmetro depende da velocidade, do raio da curva, da bitola dos eixos do veículo e da altura de seu CG e centro de rolagem a suspensão. A força centrífuga gerada pela aceleração lateral, transfere a carga do veículo, para o lado externo da curva, movimentado assim o CG e ocasionado o rolamento do conjunto caminhão e implemento (Rodrigues, 2005). A figura 18 mostra o que foi descrito, sobre SRT.

31 31 Figura 18 Modelo para SRT Fonte: Frederico, Garbin e Boaretto (2014) As manobras realizadas em regime transiente determinam a resposta do veículo a certas excitações externas impostas ao mesmo, e é com elas que se verificam tanto RT e SRT. Estas excitações podem ser geradas na forma de esterço senoidal, degrau, impulso ou randômico. Uma trajetória de ultrapassagem, (double lane change), também é uma maneira muito comum de se mensurar o SRT, assim como manobras circle test (Frederico, Garbin e Boaretto, 2014) As manobras descritas acima, em regime permanente e regime transiente, ajudam a identificar inúmeras características de segurança de um veículo. Para nosso caso em específico, de um veículo combinado ou articulado. Esses veículos, por possuírem mais graus de liberdade, tendem a se tornar mais instáveis.

32 32 3 METODOLOGIA Este capítulo tem como objetivo definir a metodologia de como será realizado a coleta e análise de dados desse estágio. As atividades que serão desenvolvidas a partir deste momento estão baseadas na revisão bibliográfica vista em capítulos anteriores. Primeiramente serão modelados dois modelos de veículos do software TruckSim. Este é um software multicorpos e possui módulos para aplicação específica da Suspensys, como por exemplo, os dados geométricos de suspensões para cavalos mecânicos e implementos rodoviários dos produtos da empresa. Para o estudo deste estágio, utilizaremos estes módulos, modelando um cavalo mecânico 6x4 com um semirreboque do tipo bi trem graneleiro carga alta. Veja figura 19. Figura 19 Semirreboque bi trem graneleiro carga alta Fonte: Randon Implementos e Participações (2014) Assim, os dados geométricos da suspensão do cavalo mecânico, como bitola, entre eixos, altura, tipo e modelo de pneus serão os de uma suspensão tipo 6x4, com mola trapezoidal, que tem sua rigidez informada pela sua fabricante. A figura 20 mostra uma suspensão 6x4 com alguns dados geométricos inseridos no programa. No ANEXO A, são mostradas imagens de parâmetros que o TruckSim considera para a realização de suas simulações, como graus de liberdade, momentos de inércia, dados da cinemática das suspensões, entre outros.

33 33 Figura 20 Suspensão 6x4 Fonte: Suspensys Sistemas Automotivos (2014) As suspensões para os implementos também seguirão este conceito pois seu dados geométricos já se encontram configurados, conforme figura 21 e figura 22, respectivamente. Figura 21 Suspensão mecânica para semirreboque Fonte: Suspensys Sistemas Automotivos (2014)

34 34 Figura 22 Suspensão pneumática para semirreboque Fonte: Suspensys Sistemas Automotivos (2014) Para fins de estudo, poderemos variar a rigidez das buchas, molas e curvas de amortecimento dos amortecedores, modificando assim a atitude do veículo em relação às manobras realizadas. A figura 23 mostra valores de cornering stiffness (rigidez do pneu em função da velocidade na curva, raio da curva e carga do veículo). Figura 23 Gráfico rigidez do pneu Fonte: Suspensys Sistemas Automotivos (2014) Esses valores serão considerados pelo software como dados de rigidez do pneu e entrarão nas equações de rigidez do veículo. Os valores de rigidez de feixe de molas e bolsa pneumática também seguirão esse formato de curva, conforme mostrado na figura 42 e figura 25, respectivamente.

35 35 Figura 24 Gráfico de rigidez dinâmica de um feixe de molas Fonte: Schuck (2006) Figura 25 Gráfico de rigidez dinâmica de uma bolsa pneumática Fonte: Contitech (2012) Os dados do amortecedor da suspensão pneumática também serão inseridos em forma de curva, variando a força pela sua velocidade, conforme figura 26. A torção do chassi não será levada em consideração neste trabalho, pois não se trata do produto ao ser avaliado, mesmo entendendo que o fenômeno poderá influenciar nos resultados.

36 36 Para as simulações de manobras que serão realizadas, vale a mesma consideração feita acima. Elas encontram-se configuradas, conforme a sua norma, dentro do TruckSim. Serão efetuados para avaliação de conforto (ride) os sinais de aceleração no chassi na posição de cabine do cavalo e aceleração longitudinal (fore aft), em trajeto com perfil definido por cabeceiras de ponte e costelas de vaca, conforme dados de amplitude e frequência fornecida pelo Campo de Provas, posteriormente analisados seguindo os critérios da Norma ISO 2631 (1978). A figura 27 mostra uma imagem de uma análise de conforto. Figura 26 Gráfico da curva de um amortecedor Fonte: Suspensys Sistemas Automotivos (2014) Figura 27 Gráfico de análise de conforto Fonte: Suspensys Sistemas Automotivos (2014) As simulações de dirigibilidade e tendência ao capotamento para handling, do tipo Double lane change e circle test estarão sendo analisadas e realizadas conforme normas ISO e ISSO 4138, respectivamente. A manobra de double lane change entrará com valores

37 37 de velocidade (km/h), ângulo de esterçamento das rodas dianteiras (graus) e o tempo transiente (s) que o veículo permanece na primeira linha da troca de pista, conforme figura 28. Figura 28 Manobra de double lane change Fonte: Suspensys Sistemas Automotivos (2014) Já para a manobra de circle test, deve-se colocar valores para velocidade do veículo (km/h) e ângulo de esterçamento das rodas dianteiras (graus), com uma determinada curva com raio constante, conforme figura 29. Figura 29 Manobra de circle test Fonte: Suspensys Sistemas Automotivos (2014) Com os resultados dessas duas últimas manobras, buscam-se principalmente dados de rolagem para análise de tombamento do semirreboque, mostrado na figura 30.

38 38 Figura 30 Rolagem de um veículo Fonte: Suspensys Sistemas Automotivos (2014) Os resultados obtidos irão ser comparados com valores que temos em normas e literatura. Também poderão servir como base de estudos, resultados que o Campo de Provas do grupo Randon tem em seu banco de dados, e assim poderemos validar as simulações virtuais, as quais são o objeto de estudo deste estágio.

39 39 4 DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 4.1 MATERIAIS E MÉTODOS Neste capítulo serão apresentadas as etapas de simulações que compõem o comparativo técnico entre as duas suspensões propostas neste estágio. Segue abaixo um breve resumo das mesmas, já na ordem que serão desenvolvidas. As primeiras simulações serão realizadas com as configurações originais do veículo, e em seguida, as mesmas serão feitas alterando alguns parâmetros das suspensões. Double lane change Simula uma ultrapassagem a uma determinada velocidade, que para o caso deste trabalho, escolheu-se 40 km/h. Esta manobra é transiente e espera-se medir valores de ângulo de rolagem da massa suspensa. Circle test- Com esse tipo de manobra espera-se a verificação das mesmas métricas a serem avaliadas em double lane change. A diferença entre as duas simulações é que o circle test é uma manobra em regime permanente. Aplica-se um torque ao volante, gerando um ângulo de esterçamento, com velocidade constante de 50 km/h em um percurso de diâmetro com raio de 128m. A aceleração do último implemento da composição do SR, poderá ser comparada com valores obtidos de forma analítica. Cabeceira de Ponte Simula a passagem do veículo em uma entrada de ponte, onde geralmente encontra-se um degrau, neste caso de 30 mm, que é adotado por se tratar de um valor médio das estradas brasileiras. Com esta manobra, se obtém dados de aceleração vertical e longitudinal, bem como tempo de resposta ao amortecimento do sistema. Costelas de vaca- Pode também ser utilizada para análise de durabilidade de veículos. Simula um trajeto de estradas de chão, com uma sequência de saliências na pista, com baixas amplitudes e altas frequências. A velocidade simulada neste tipo de trajeto é de 50 km/h. A pista conta com saliências de 28 mm de amplitude e com diferentes distâncias entre picos (ANEXO B). Especificamente neste trabalho optou-se pela pista com distância entre picos igual a 0,92 m, excitando a suspensão a uma frequência de 15 Hz. O TruckSim, nos mostra os dados obtidos de aceleração no domínio do tempo, porém a norma ISO 2631 (1978), que avalia conforto fornece dados de aceleração no domínio da frequência fft (fast Fourier transform), se utilizará um software de aquisição e tratamento de dados, para manipular os resultados obtidos no TruckSim e ter assim, condições de confrontar os valores com a norma. O software utilizado será o CATMAN, e essas avaliações serão mostradas posteriormente a tudo o que foi descrito acima.

40 Simbologias utilizadas A figura 31 mostra as simbologias que serão utilizadas para diferenciar os produtos e seus respectivos modelos de suspensão. Figura 31 - Simbologias Fonte: Autor, AVALIAÇÕES EM DOUBLE LANE CHANGE Abaixo a figura 32, que mostra o gráfico para os resultados obtidos em uma simulação de double lane change, com velocidade constante de 50 km/h, para o veículo com suspensão mecânica e o veículo com suspensão pneumática nos semirreboques. Nota-se que o segundo implemento do bi trem equipado com suspensão mecânica é o que tem o maior ângulo de rolagem, seguido pelo primeiro implemento com suspensão mecânica e o cavalo deste bi trem. Essa maior tendência ao capotamento pode ser explicada devido à amplificação traseira, fenômeno que ocorre em SR com mais de uma articulação. É o aumento do deslocamento lateral da última unidade do conjunto quando comparada com o deslocamento lateral da primeira unidade, durante manobras em curvas ou manobras evasivas. Em consequência dessa amplificação do movimento a unidade traseira, o conjunto é submetido a acelerações laterais maiores que a unidade tratora, Melo (2005). Geralmente o motorista não percebe essa situação. Para o bi trem com suspensão pneumática, esse se mostrou mais estável que o implemento com suspensão mecânica, tendo assim um ângulo de rolagem da massa suspensa bem inferior. A amplificação traseira também não é muito perceptível para este tipo de suspensão. Essa diferença deve-se ao fato de que a suspensão pneumática possuir um roll stiffnes (rigidez

41 41 de rolagem) maior que a suspensão mecânica. Isso acontece pois a geometria da suspensão pneumática faz com que o eixo atue como uma barra estabilizadora, tendo assim como consequência um menor ângulo de rolagem, possuindo assim uma alta rigidez torcional como característica construtiva. Figura 32 - Simulações em double lane change Fonte: Autor, AVALIAÇÕES EM CIRCLE TEST A figura 33 mostra os gráficos obtidos para as avaliações realizadas em manobras de circle test, ou figura zero, com velocidade de 50 km/h e raio de 128 m. O mesmo comportamento dos dois veículos na avaliação de double lane change foi verificado novamente na simulação de circle test, comprovando assim a melhor estabilidade em um bi trem equipado com suspensão pneumática, visto que nesse tipo de suspensão a transferência de carga de um lado para o outro do veículo é menor quando comparada com a suspensão mecânica, pelo fato de a sua geometria construtiva lembrar muito um sistema de barra estabilizadora. Ao se visualizar as imagens 32 e 33 dos dois gráficos, pode-se notar a diferença entre uma manobra transiente e uma manobra permanente, sendo que a primeira o veículo transita entre duas pistas, gerando movimentos alternados no volante, ao passo que na

42 42 segunda, um torque é aplicado ao volante do sistema de direção, sendo este mantido até o final da manobra. Figura 33 - Simulações em circle test Fonte: Autor, Comparação analítica dos resultados da simulação de circle test Pode-se comparar analiticamente os valores de ângulo de rolagem encontrados pelo software TruckSim. Para tanto se utiliza a equação 1, para cálculo de ângulo de rolagem (Vargas, 2001), e se utilizará os dados da suspensão mecânica. (1) Onde temos: Para o cálculo do momento de rolagem e rigidez total, segundo Vargas (2001), temos as equações 2 e 3 respectivamente. (2)

43 43 (3) Onde: ( ) ( ) ( ) Para dados descritos acima, a figura 34 deve ser considerada. Figura 34 Dimensões para o modelo de cálculo Fonte: Autor, 2014 Resolvendo as equações, encontramos o valor de 1,98 que é diferente do valor de 4,2 encontrado pelo TruckSim. Essa diferença deve-se às considerações do cálculo analítico. O mesmo não considera, por exemplo, a amplificação traseira para veículos com várias articulações, bem como os graus de liberdade existentes entre a quinta roda e o pino rei ao, contrário do software, logo a rolagem mostrada pelo programa é maior e mais próxima da realidade. Essa equação é válida então, quando o tipo de veículo utilizado é plataforma, ou rígido. Mensurar analiticamente a rolagem de um semirreboque com vários graus de liberdade

44 44 pode levar o responsável a cometer alguns equívocos, e o uso de alguma ferramenta de manipulação matemática se torna necessário, considerando as várias iterações que devem ser realizadas. 4.4 AVALIAÇÕES EM CABECEIRAS DE PONTE E COSTELAS DE VACA Na avaliação em cabeceira de ponte, veículos trafegam em uma estrada quando é necessária a sua passagem por uma ponte, a qual na sua entrada existe um degrau, com amplitude de 30mm. Este degrau impõe aos veículos um pico de aceleração, vertical e longitudinal, bem como um tempo de resposta para que o sistema de amortecimento se torne estável novamente. A figura 35 mostra o gráfico da aceleração vertical imposta a esse veículo. Pode-se notar que a aceleração vertical imposta aos dois cavalos são praticamente as mesmas, porém para os implementos, se pensar em transporte de cargas mais frágeis, como bebidas, eletrônicos e outras, vê-se que a suspensão pneumática proporciona acelerações mais baixas as suas caixas de carga. A figura 36 detalha melhor esse fato. Figura 35 Aceleração vertical em cabeceira de ponte Fonte: Autor, 2014

45 45 Figura 36 - Detalhe da aceleração vertical em cabeceira de ponte Fonte: Autor, 2014 Ainda nas avaliações de cabeceira de ponte, pode-se verificar o comportamento do veículo em função da aceleração longitudinal, a qual mostra um fenômeno denominado fore aft ou galope, que é medida no banco do motorista na cabine do caminhão. Os resultados desta medição estão na figura 37, e somente levam em consideração os dois cavalos mecânicos dos semirreboques. Para esta figura as legendas foram alteradas e estão descritas acima, no canto superior direito da mesma.

46 46 Figura 37 - Aceleração longitudinal Fonte: Autor, 2014 Fica evidente a diferença entre a aceleração longitudinal no domínio do tempo do cavalo com implemento equipado com suspensão mecânica e do cavalo com implemento equipado com suspensão pneumática, sendo essa última muito mais baixa. Essa diferença se dá no momento em que a composição cavalo mais semirreboque recebe o input do degrau na pista, e a menor aceleração e amplitude da suspensão pneumática é decorrência do sistema de amortecimento da mesma. Para as avaliações em costelas de vaca, com o domínio no tempo, para uma melhor visualização dos resultados, tanto para aceleração vertical quanto para aceleração longitudinal, os dados deverão ser tratados em FFT, conforme norma ISO 2631 (1978), pois os resultados derivados do TruckSim, são de difícil entendimento, como mostram as figuras 38, 39, 40 e 41.

47 47 Figura 38 - Aceleração vertical na suspensão mecânica em costelas de vaca Fonte: Autor, 2014 Figura 39 - Aceleração vertical na suspensão pneumática em costelas de vaca Fonte: Autor, 2014

48 48 Figura 40 - Aceleração longitudinal suspensão mecânica em costelas de vaca Fonte: Autor, 2014 Figura 41 - Aceleração longitudinal suspensão pneumática em costelas de vaca Fonte: Autor, 2014

49 Avaliações de conforto conforme ISO 2631 (1978) Conforme dito anteriormente, o TruckSim não apresenta seus resultados para avaliações de conforto conforme a norma ISO 2631 (1978). Para tanto, os dados foram tratados no software CATMAN. Esta ferramenta se utiliza de recursos matemáticos, neste caso as transformadas de Fourier, para que os valores de aceleração obtidos em função do tempo sejam mostrados agora em função da frequência (fft). Esses gráficos, por tratar de conforto, são medidos na cabine do cavalo, junto ao banco do motorista e os resultados mais relevantes a serem analisados ocorreram nas simulações de costelas de vaca. As manobras verificadas com cabeceira de ponte, não fornecem dados suficientes para análise de conforto. Segundo a norma ISO 2631 (1978), seus gráficos podem ser analisados de duas formas. A preservação de eficiência de trabalho, ou fadiga e quanto à preservação de conforto, também conhecida como nível de conforto reduzido. Para o limite de fadiga, se especifica um ponto além do qual a exposição à vibração pode ser considerada portadora de um risco significativo que afetará a eficiência de trabalho em muitos tipos de tarefa, em particular aquelas em que os efeitos dependentes de tempo ( fadiga ) são conhecidos por piorarem o desempenho (por exemplo: dirigir veículos), ou seja, onde a preocupação primordial é manter a eficiência de trabalho de um motorista de veículo ou operador de máquina. Para análises de conforto reduzido, no caso de transporte, o limite reduzido de conforto está relacionado com as dificuldades de realizar operações tais como comer, ler e escrever. Um bom exemplo é um banco de passageiros, que para as definições necessárias para o seu projeto, deveria levar em conta este tipo de análise, a de conforto reduzido. Presume-se que o nível reduzido de conforto, que deriva de vários estudos feitos pelas indústrias de transporte, situe-se, nesta Norma Internacional, a aproximadamente um terço dos níveis correspondentes do nível de eficiência reduzido (fadiga), ou seja, os valores de aceleração devem ser divididos por 3,15 para a verificação desse tipo de resultado. De acordo com os critérios mencionados, estes limites estão especificados em termos de frequência vibratória, grandeza de aceleração, tempo de exposição e a direção da vibração em relação ao tronco. Esta direção é definida de acordo com os conhecidos eixos anatômicos do corpo humano. Nas medidas de aceleração verticais, o eixo de referência para que o leitor possa situar-se em relação ao corpo humano, será o eixo Z (cabeça pé), e para valores de aceleração longitudinal, toma-se o eixo X (peito costa). De acordo com relatos já feitos por diversos profissionais que atuam como condutores de veículos de carga comerciais, as acelerações impostas ao longo do eixo Z, são

50 50 as que mais causam sensações de desconforto durante a rotina de trabalho ao longo da jornada dos mesmos. Figura 42 - Eixos de referência corpo humano Fonte: ISO 2631 (1978) A figura 43 mostra os valores de aceleração vertical no formato da norma para fadiga para a simulação de costelas de vaca, e a figura 44 mostra valores de aceleração vertical para o mesmo tipo de pista, porém agora em uma análise de conforto reduzido. Na figura 43, para fadiga vertical na faixa, os veículos se mostram muito semelhantes em seu comportamento ao longo de todo o eixo da frequência, para esse nível de excitação. Mas na faixa de aproximadamente 3,5 Hz, o tempo de exposição para suspensão mecânica gira em torno de seis horas, desta forma, conforme figura 12, muito próxima a frequência natural dos pulmões. Percebe-se nesta imagem um pico muito grande na faixa compreendida de 16 Hz, ultrapassando assim todos os limites de fadiga, aceitável somente para uma exposição de 25 minutos. Baseando-se na norma ISO 2631 (1978), tal pico é indicado somente por um período de cerca de duas horas, se o critério utilizado fosse de segurança ou de saúde. Ampliando um pouco mais essa análise, e comparando com valores mostrados na figura 12, que a faixa correspondente entre 12 e 19 Hz, atinge a frequência natural da garganta. Na figura 44, conforto reduzido vertical, o tempo de exposição é bastante diminuído. É interessante citar, que nesta simulação, percebe-se que para os limites de fadiga nenhum resultado superou às 8 horas de exposição, porém na condição de conforto reduzido, na faixa de 1,5 a 2,5 Hz e também na faixa dos 14 a 18 Hz, os picos de aceleração verticais ultrapassam a faixa de 2,5 h. Esta jornada coincide com aquela estabelecida pela Lei do

51 51 Descanso, (n , ato 2011) sendo que em faixas de 4 a 8 Hz, a massa abdominal estaria afetada, gerando assim uma sensação de enjoo e mal estar ao motorista, conforme figura 12 deste trabalho. Figura 43 - Aceleração vertical conforme ISO 2631 (1978) em costela de vaca - fadiga Fonte: Autor, 2014 Figura 44 - Aceleração vertical conforme ISO 2631 (1978) em costelas de vaca conforto reduzido Fonte: Autor, 2014

52 52 As figuras 45 e 46, respectivamente, tratando de aceleração longitudinal fadiga e aceleração longitudinal conforto reduzido, são mostradas abaixo. fadiga Figura 45 - Aceleração longitudinal conforme ISO 2631 (1978) em costelas de vaca - Fonte: Autor, 2014 Figura 46 - Aceleração longitudinal conforme ISO 2631 (1978) em costelas de vaca - conforto reduzido Fonte: Autor, 2014 Analisando as duas figuras, nota-se a importância de avaliarmos o conforto de duas formas, tanto quanto em relação à fadiga, como também em conforto reduzido. É fato que para a figura 45 a aceleração o longitudinal não afeta o conforto para nenhum dos veículos, embora a partir dos 16 Hz, a suspensão mecânica tenha picos de aceleração mais altos. Porém,

53 53 na figura 46, conforto reduzido, a análise pode tomar outra interpretação. Para a faixa de 2 Hz, o limite de exposição da suspensão mecânica chegou na casa das quatro horas, indo novamente ao encontro da Lei do Descanso, (n , ato 2011). Foi possível verificar que a faixa de 16 Hz, foi a mais destacada ao longo de todas as análises, devido ao fato de que as simulações em costelas de vaca utilizaram nesse caso, uma faixa de excitação de 15 Hz. 4.5 AVALIAÇÕES DOS VEÍCULOS COM PARÂMETROS ALTERADOS Embora já tenha sido dito na introdução do capítulo 4, cabe ressaltar que serão mostradas algumas simulações com parâmetros das suspensões dos semirreboques alterados, pois do ponto de vista acadêmico, é importante mostrar a influência de alguns fatores em suspensões para veículos comerciais, e a comprovação da importância de alguns valores e componentes utilizados em um projeto de suspensão, da mesma forma mostrando a importância de sua utilização. Nos implementos com suspensão mecânica, será alterada a rigidez do feixe de molas para um valor 20% inferior do que se utiliza para essa aplicação, comparando com os valores de rolagem, aceleração vertical e longitudinal, obtidos anteriormente nos mesmos ensaios. Já para os implementos com suspensão pneumática, serão retirados os seus amortecedores, e assim, comparado com os resultados mostrados para este tipo de suspensão anteriormente neste estágio Simbologias utilizadas A figura 47 e a figura 48 mostram as simbologias que serão utilizadas para diferenciar os produtos e seus respectivos modelos de suspensão. Figura 47 - Simbologias para suspensões mecânicas Fonte: Autor, 2014

54 54 Figura 48 - Simbologias para suspensões pneumáticas Fonte: Autor, Comparação dos implementos com suspensões mecânicas A figura 49 mostra um comparativo entre veículos com as suspensões mecânicas alteradas, com 20% a menos de rigidez em seus feixes de mola, e originais, com a rigidez dos feixes conforme projeto, obtido em um circle test, mostrando valores de ângulo de rolagem das massas suspensas para o implemento equipado com uma suspensão mecânica. Já para a figura 50, valores de acelerações verticais impostas a esta composição podem ser verificados em uma simulação de um trajeto com uma entrada de cabeceira de ponte. Figura 49 - Comparativo de circle test entre suspensões mecânicas Fonte: Autor, 2014

55 55 Figura 50 - Comparativo de aceleração vertical em cabeceira de ponte para suspensões mecânicas Fonte: Autor, 2014 Diminuindo os valores de rigidez do feixe de molas, nota-se que nas avaliações de rolagem, a composição alterada obteve valores na casa dos cinco graus, sendo este valor, conforme Gillespie, (1992), um limiar para o tombamento de semirreboques. De certa forma, esse valor já era esperado, pois de acordo com a equação 1 deste trabalho, o ângulo de rolagem da massa suspensa de um veículo é a razão do momento de rolagem pela rigidez total do sistema, assim, ao diminuirmos o valor da rigidez do feixe de molas, sem alterar o momento de rolagem, que é um parâmetro geométrico construtivo do bi trem, estamos aumentando o ângulo de rolamento. A transferência de carga para o lado da suspensão interna a curva aumenta mais rapidamente em função da baixa rigidez das molas, tendendo a descolar o pneu do lado contrario, causando o tombamento da unidade. Para a avaliação de aceleração vertical nota-se que essa diminuição feita na rigidez do feixe de molas não tem uma melhora significativa que justifique uma alteração que possa vir a comprometer a segurança do motorista. Talvez se fosse adotado uma rigidez mais baixa ainda, já que a frequência de vibração pode ser definida como a raiz da rigidez sobre a massa, para que o ganho em conforto fosse real e agregasse a suspensão um sistema de barra estabilizadora, se obteria melhores resultados, tanto em conforto como em segurança, porém aumentando o custo deste tipo de suspensão.

56 Comparação entre os veículos com suspensão pneumática A figura 51 mostra um comparativo entre veículos com as suspensões pneumáticas alteradas e originais, obtidos em um double lane change, mostrando valores de ângulo de rolagem das massas suspensas. Figura 51 - Comparativo de double lane change entre suspensões pneumáticas Fonte: Autor, 2014 De acordo com a figura, está claro que retirando os amortecedores das suspensões pneumáticas que equipam os semirreboques não se obteve alteração dos ângulos de rolagens das massas suspensas do bi trem. Esse fato evidencia que a real função dos amortecedores neste tipo de suspensão não é a estabilidade, embora em função da posição geométrica onde os amortecedores são instalados na suspensão, é comum que possa se ter dúvidas. A figura 52 mostra a comparação entre as duas suspensões pneumáticas, em uma simulação de cabeceira de ponte medindo a aceleração vertical do veículo. Retirando os amortecedores, pode-se ver que o implemento alterado esta com amplitudes muito mais altas que o implemento que utiliza a configuração original de amortecedores. Esse fato comprova que conforme descrito no capítulo 2 a função dos amortecedores para uma suspensão pneumática atenuar oscilações causadas pelo acumulo de energia nas bolsas de ar, logo não é possível que se construa uma suspensão pneumática sem amortecedores, pois as molas pneumáticas não possuem efeito histerético, tendo apenas o amortecedor como elemento de dissipação de energia.

57 57 Figura 52 - Comparativo de aceleração vertical em cabeceira de ponte para suspensões pneumáticas Fonte: Autor, 2014

58 58 5 CONCLUSÕES Com base nos dados geométricos e de propriedades das suspensões tipo pneumática e mecânica, a montagem dos dois modelos de semirreboques no software TruckSim, na configuração bi trem de quatro eixos, mostrou relativa facilidade de operação. O software TruckSim é amigável para se trabalhar. Após as simulações de rolagem e aceleração vertical propostas para este estágio terem sido rodadas, os gráficos foram plotados, e para análises de ride, tratados e interpretados conforme a norma ISO 2631 (1978). De acordo o que foi visto neste estágio, comparando as questões de estabilidade em curvas e conforto para a carga transportada e também do motorista, a suspensão pneumática quando usada em um implemento do tipo semirreboque bi trem graneleiro carga alta, mostrou-se com um melhor desempenho em ambos os aspectos, sendo assim, indicada para o uso quando essas duas condições forem relevantes. É importante ressaltar que as questões de durabilidade, custo de manutenção e preço de aquisição não foram levadas em consideração, pois não tratavam da proposta desta obra. A suspensão pneumática mostrou o melhor desempenho nas simulações comparativas, na maior parte dos quesitos analisados. Ela proporciona um menor impacto sobre a carga, permitindo, assim, o transporte de produtos que necessitam cuidados especiais. Também é importante destacar seu menor impacto ao pavimento, comprovando o apelido de amiga da estrada. A suspensão mecânica, mesmo não apresentando os melhores resultados, ainda tem um papel fundamental na indústria do transporte. Nos casos onde o transporte do produto não exige tanto cuidado, pode-se utilizar esse tipo de suspensão, sem prejuízo algum. Além disso, é importante destacar que a suspensão mecânica possui uma maior resistência, em determinados trajetos, onde a suspensão pneumática não é indicada para o uso, bem como um custo de aquisição e manutenção mais baixo que a suspensão pneumática. A tentativa de alterar os parâmetros de rigidez de feixe de molas para as suspensões mecânicas e a eliminação dos amortecedores para as suspensões pneumáticas se mostraram bastante interessantes, pois foi a partir destas alterações que se pôde verificar com mais clareza a função dos componentes modificados nas suspensões. Como sugestão para próximos trabalhos, seria interessante avaliar a questão dos resultados numéricos obtidos com o software TruckSim, realizando uma validação experimental instrumentando veículos e confrontando com os valores obtidos via software, pois comparativamente o mesmo demonstrou ser bastante útil.

59 59 BIBLIOGRAFIA BENTO, J.P.M.;NUNES, A.A.; SILVA, R.C.; Modelagem Multicorpos do Mecanismo Biela Manivela Invertido para Aplicação em Engenharia Automotiva. Brasil XIX Congresso Nacionalo de Estudantes de Engenharia Mecânica. Artigo CREEM Universidade Brasilia, Curso de Engenharia Automotiva. CARRARO, Eduardo. Otimização de um Feixe de Molas Utilizado em Semirreboques f. Relatório de Estágio Supervisionado (Graduação em Engenharia Mecânica) Universidade de Caxias do Sul, CONTITECH AIR SPRINGS.Replacement Guide North America, COSTA, Álvaro. Dinâmica Vertical. Apostila curso de Especialização em Engenharia Automotiva. Escola de Engenharia de São Carlos, COSTA, Álvaro. Sistemas de Suspensão. Apostila Automotiva curso de Especialização em Engenharia. Escola de Engenharia de São Carlos, 2009 ERICSSON, Luis G. S.. Estudo da Influencia da Rigidez do Quadro na Dirigibilidade de um Veículo de Competição Formula SAE em Ambiente Multicorpos f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecanica) Escola de Engenharia de São Carlos da Univesidade de São Paulo, São Carlos, Disponível em:< Acesso em: 25/05/2014 FREDERICO, A.A.B.; GARBIN, J.; BOARETTO.; Rollover Study of a Heavy Truck Combination with two Different Semi Trailer Suspension Configurations. Brasil, Coloquium Internacional de Suspensões e Implementos Rodoviarios. SAE paper technical series FERNANDES, C.C.; NOGUCHI, E.; CASTRO, R.; Almeida, U. Influence of Shock Absorber Now-Linearities Over the Vehicle Dynamics Behaviuor. Brasil, Coloquium Internacional de Suspensões e Implementos Rodoviarios. SAE paper technical series GILLESPIE, Thomas D.. Fundamentals of Vehicle Dynamics. Warrendale, P.A: Society of Automotive Engineers, LIMA, Thallys Camargo de. Estudo da Modelagem em Ambiente Multicorpos de Molas do Tipo Feixe para Suspensões de Veículos Comerciais Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) Escola de Engenharia de São Carlos da

60 60 Universidade de São Paulo, São Carlos, Disponível em: < Acesso em : 14/02/2014 MELO, R.P.; Estabilidade Lateral de Conjuntos de Veículos de Carga. Disponível< carga_rev.pdf> Acesso em: 14/03/2014 ROSA, Rodrigo S.Avaliação do Sistema Cinemático e Dinâmico de uma Veículo de Competição Off-Road Baja Através de Simulações Multicorpos f. Relátorio de Estagio Supervisionado (Graduação em Engenharia Mecânica) Universidade de Caxias do Sul, PRADO, Marcelo. Suspensão de Veículos Comerciais. Apostila curso de Especialização em Engenharia Automotiva. Escola de Engenharia de São Carlos, PIAZZA. Gabriel R.Estudo do Comportamento de Feixes de Molas para um Veículo Cavalo Mecânico f. Trabalho de conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) Universidade de Caxias do Sul, RODRIGUES. João Felipe Susin. Calculo e Avaliação dos Parâmetros da Rigidez a Rolagem de uma Suspensão Dianteira Mecânica f. Trabalho de conclusão de Curso ( Mestrado Profissionalizante em Engenharia Automotiva) Universidade de São Paulo, Escola Politecnica II, SCHUCK, Luis G.. Análise Experimental e Numerica de um Feixe de Molas f. Relátorio de Estagio Supervisionado (Graduação em Engenharia Mecânica) Universidade de Caxias do Sul, PERES, Gustavo. Uma Metodologia Para Simulação e Análise de Veículos de Transporte de Carga f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Disponível em: < Acesso em: 03/02/2014 SUSPENSYS. Banco de Imagens da Suspensys Sistemas Automotivos LTDA, RANDON. Banco de Imagens da Randon Implementos e Participações, VARGAS. Valter. Influência das Barras Estabilizadoras na Inclinação Lateral e Na distribuição de Carga em um Ônibus com Três Eixos Trabalho de conclusão de Curso ( Mestrado Interinstitucional em Engenharia de Estruturas) Universidade de São Paulo/ Universidade de Caxias do Sul, ( < Acesso em: 25/01/2014

61 61 < Acesso em: 14/04/14 ISO 2631.Guide for evaluation of human exposure to whole-body vibration.segunda edição. International Organization Standarzation, 1978.

62 62 ANEXO A Figura 53 - Dados para suspensão mecânica/pneumática do primeiro implemento Fonte: Autor, 2014 Figura 54 - Dados para suspensão mecânica/pneumática do segundo implemento Fonte: Autor, 2014

63 63 Figura 55 - Cinemática da suspensão mecânica Fonte: Autor, 2014 Figura 56 - Cinemático da suspensão pneumática Fonte: Autor, 2014

64 64 Figura 57 - Curva do amortecedor da suspensão pneumática Fonte: Autor, 2014

65 65 ANEXO B Figura 58 - Costelas vaca 7 Hz Fonte: Campo de Provas Figura 59 - Costelas de Vaca 9 Hz Fonte: Campo de Prova

66 66 Figura 60 - Costelas de Vaca 11 Hz Fonte: Campo de Provas Figura 61 - Costelas de Vaca 13 Hz Fonte: Campo de Provas

67 67 Figura 62 - Costelas de Vaca 15 Hz Fonte: Campo de Provas