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Project Cars Project Cars #04

Project Cars #4: o desenvolvimento dos freios e suspensão do Fórmula SAE Fênix Racing

Fala, galera do Flatout! Aqui quem fala é o José Rodolfo e gostaria de agradecer em nome de toda a Equipe Fênix Racing de Fórmula SAE da UNESP de Ilha Solteira a todos os comentários em nosso primeiro post! Foi muito legal ver a participação e a curiosidade de todos, como também ver quanta gente faz parte, conhece e aprecia projetos estudantis como o nosso.

Neste segundo post, falaremos especificamente dos projetos do sistema de freio e da suspensão do nosso protótipo FX4. Apresentaremos parte da teoria e de alguns resultados prévios já obtidos. Com certeza não conseguiremos colocar tudo aqui no post, portanto pedimos para que publiquem as eventuais dúvidas e sugestões nos comentários, para que possamos respondê-las. Será muito boa essa nossa troca de informações!

figura 2

Nesse projeto de 2014 nós buscamos, além do desempenho, a facilidade de fabricação, a facilidade de manutenção e o baixo custo final do protótipo. Dessa maneira podemos fazer o veículo em menor tempo e com menos recursos financeiros (fatores essenciais pra um grupo de estudantes; tempo e dinheiro rs).

 

Sistema de freio

figura 3

O projeto do sistema de freio é dependente das cargas atuantes no carro como um todo, bem como das cargas de acionamento do sistema. Portanto, para modelar o conjunto é necessário considerar todos os parâmetros do veículo, da mesma maneira que é necessário considerar a sua desaceleração. Determinando o torque de frenagem em cada roda a partir do modelo estabelecido, deve-se utilizar um conjunto de componentes mecânicos e hidráulicos capaz de formar um sistema que tenha potencial de frenagem. Para isto, este sistema deve gerar um torque reverso, em cada roda, maior ou igual ao torque de frenagem determinado.

Rodas dianteiras não travaram em 2012 devido ao pequeno curso do cilindro mestre utilizado

Na frenagem, ocorre uma transferência de carga, devido à desaceleração, na qual as rodas dianteiras recebem parte da carga que estava nas rodas traseiras no estado estático, o que faz o freio dianteiro ser mais solicitado que o traseiro.

figura 5

Em conjunto com a área de suspensão, decidimos padronizar as mangas e os componentes acoplados às mesmas para todas as rodas. Assim, cada conjunto manga/rolamento/cubo/pinça serão idênticos e o processo de fabricação das peças será padronizado, caracterizando uma linha de produção em série que reduz o custo e o tempo de fabricação dos componentes e montagem do veículo.

figura 6

Após decidir seguir essa linha de projeto, definimos então que as quatro pinças deveriam ser do mesmo modelo. Tivemos então que elaborar um projeto baseado nessa condição, buscando um bom desempenho. Seguindo o regulamento da SAE, os veículos Fórmula SAE devem possuir um sistema hidráulico dianteiro independente do sistema hidráulico traseiro.

figura 7

Para buscar uma melhor condição dinâmica na desaceleração, decidimos utilizar um cilindro mestre no sistema traseiro com um diâmetro de pistão maior do que o cilindro mestre do sistema dianteiro (para que no sistema traseiro ocorra uma menor maximização da força aplicada pelo piloto – Princípio de Pascal), ambos da Wilwood, e utilizamos quatro pinças Wilwood Dynapro Single. No ano passado, utilizamos pinças do tipo fixa e discos do tipo fixo e, para aumentar a eficiência da frenagem a partir de um acoplamento de atrito mais próximo do ideal, a equipe decidiu neste ano utilizar discos flutuantes combinados com pinças fixas.

figura 8

Analisando o gráfico abaixo, verificamos que, ao aplicar cerca de 340 N no pedal, ocorre o travamento das quatro rodas. Concluímos então que o projeto final tem potencial de frenagem, já que é possível aplicar 450 N no pedal confortavelmente em uma situação extrema, e, mesmo com uma sensibilidade alta, as vantagens de se ter um projeto padronizado e intermutável sobrepõe a hipersensibilidade.

figura 9

 

Sistema de Suspensão

Ao contrário do que se pensa, o papel do sistema de suspensão não é apenas o de amortecer os impactos oferecidos pelo terreno. Como vocês caros amigos gearheads sabem bem, este subsistema interfere diretamente na eficiência de todos os demais subsistemas do veículo como estrutura, direção, freios, motor e transmissão, já que toda a interação veículo-solo ocorre a partir da sua configuração.

figura 10

Partindo de considerações iniciais que dependem dos objetivos de cada subárea do veículo e utilizando dados como o peso do carro, a distribuição de peso nas rodas, o posicionamento do centro de massa, entre outros, o projeto do sistema de suspensão baseia-se em processos iterativos. Neste método, os cálculos iniciais determinam um resultado parcial que será utilizado num próximo cálculo, e assim sucessivamente até se obter uma configuração refinada.

O primeiro passo para o projeto da suspensão é a escolha do pneu utilizado. Pode parecer estranho, mas cada suspensão possui o seu pneu ideal, e a sua configuração depende das propriedades do pneu. Ou seja, se colocarmos um pneu que não foi o utilizado no projeto, o sistema não estará trabalhando da maneira mais eficiente! O limite de aderência do pneu representa o quanto este componente suporta acelerar, frear e fazer curvas, bem como é a característica mais importante para a sua seleção.

figura 11

Para se obter máximo desempenho do protótipo, decidimos aplicar grande possibilidade de pequenos ajustes de cambagem, convergência, rigidez de rolagem através das barras de torção, velocidades de bump e rebound dos amortecedores entre outras coisas, tornando o carro bem versátil. Esses ajustes podem modificar todo o comportamento dinâmico do protótipo, como por exemplo: ajuste de quanto o carro deve “sair de dianteira” ou “sair de traseira”, buscando um ponto ideal aos nossos pilotos.

 

Geometria de Suspensão

Nesta etapa iniciamos o projeto virtual da suspensão com escolhas primárias de entre rodas, ângulos de caster, centros de rolagem, rigidez de rolagem, rigidez vertical entre outros parâmetros, tudo ao mesmo tempo! Sim, é uma verdadeira salada de valores na qual sempre se busca diminuir a transferência lateral de carga, sem prejudicar outros parâmetros como dirigibilidade, facilidade de construção e peso. A única restrição nesse quesito imposto pela regra é o entre eixos que não deve ser inferior a 1525mm.

Cada ângulo da geometria de suspensão tem uma relação importante com o comportamento dinâmico do veículo, interferindo diretamente na relação do pneu com o solo. Pode-se dizer que o projeto do sistema de suspensão é uma sequência de soluções de compromisso, no qual não há uma geometria ideal e deve-se saber balancear as escolhas e as suas influências. Nesta etapa, trabalhamos com softwares como Lotus Suspension Analysis, ADAMS Car e há equipes que utilizam o Optimum Kinematics. Neles foram realizados testes de esterçamento, de rolagem e de compressão de todo o sistema, verificando cada ângulo da geometria, sempre visando o ótimo contato do pneu com o solo.

figura 12

 

Dimensionamento dos componentes

Para as peças que serão fabricadas especificamente para o projeto, iniciamos fazendo estimativas das forças atuantes nos componentes, considerando situações extremas. Em seguida, esses esforços foram simulados em softwares específicos como SolidWorks e Ansys e verificamos a resistência de cada peça.

figura 13

Essa etapa é trabalhosa, mas é muito recompensadora quando se consegue retirar uma quantidade expressiva de massa do veículo sem comprometer a sua segurança. Acreditem, ao investirmos bastante tempo nessa etapa de projeto, reduzimos cerca de 50 kg de massa no FX4!! Para um carro que pesava aproximadamente 300kg e com um motor de Hornet 600, isso é uma redução e tanto.

figura 14

Para os componentes comprados também buscamos a possibilidade de ajustes, facilidade de montagem e baixo preço. Para os pneus, optoamos pelos slicks da Goodyear que serão calçados nas rodas Keizer de alumínio e magnésio muito leves e resistentes. Os amortecedores serão da linha de mountain bike da Fox Shocks que possuem bastante regulagem.

figura 15

 

 Sistema de Direção

figura 16

O sistema de direção é responsável pelo controle do veículo pelo piloto, ao qual levamos em consideração à sua ergonomia, à geometria do sistema de suspensão e aos esforços do sistema.

figura 8

Para se garantir boa dirigibilidade através da ergonomia, construímos um aparato ergonômico para que os pilotos aprovassem as ideias propostas, as restrições estruturais de tamanho do cockpit e inclinações de banco. Nele definimos que o volante deveria trabalhar aproximadamente 240° (120° para cada lado) o que proporcionaria uma relação final na direção de aproximadamente 8:1.

figura 18

Em seguida, trabalhamos nas inclinações das colunas de direção, da cruzeta e por fim na relação do pinhão/cremalheira e optamos por usar uma cruzeta dupla para garantir a angulação e os comprimentos necessários para a coluna. Para o pinhão e a cremalheira, usamos alumínio aeronáutico que confere uma boa confiança ao sistema. A equipe tem por regra que não se deve economizar com segurança no sistema de direção e freio, portanto os fatores de segurança são mais conservadores nessas áreas.

figura 19

Esperamos que tenham gostado da evolução do projeto e das informações que postamos. Novamente, caso tenham algumas dúvidas e/ou sugestões, pedimos que postem aqui nos comentários pois a equipe terá o maior prazer em respondê-las e recebê-las. No próximo post falaremos um pouco sobre o sistema de estrutura, análises de segurança, rigidez à torção e muito mais coisas interessantes!

Por José Rodolfo Queiroz, Project Cars #04

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