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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO CAMPUS ANGICOS DEPARTAMENTO CIÊNCIAS EXATAS, TECNOLÓGICAS E HUMANAS - DCETH CURSO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA ANDERSON CARLOS DOS SANTOS BRITO ANÁLISE DE UMA SUSPENSÃO AUTOMOTIVA USANDO DINÂMICA MULTICORPOS ANGICOS-RN 2013

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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO

CAMPUS ANGICOS

DEPARTAMENTO CIÊNCIAS EXATAS, TECNOLÓGICAS E

HUMANAS - DCETH

CURSO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA

ANDERSON CARLOS DOS SANTOS BRITO

ANÁLISE DE UMA SUSPENSÃO AUTOMOTIVA USANDO DINÂMICA

MULTICORPOS

ANGICOS-RN

2013

ANDERSON CARLOS DOS SANTOS BRITO

ANÁLISE DE UMA SUSPENSÃO AUTOMOTIVA USANDO DINÂMICA

MULTICORPOS

Monografia apresentada à Universidade

Federal Rural do Semi – Árido – UFERSA,

Campus Angicos, para a obtenção do título

de Bacharel em Ciência e Tecnologia.

Orientador: Profº. Dr. Alex Sandro de

Araújo Silva.

ANGICOS-RN

2013

Dedico este trabalho à toda minha família, em

especial minha mãe Sheila Carlos dos Santos,

por terem me apoiado sempre nos momentos

mais difíceis da minha vida e por acreditarem

no meu potencial para esta conquista.

AGRADECIMENTOS

Em primeiro lugar gostaria de agradecer à Deus por ter me dado a oportunidade de estar aqui

nesse momento e me deu a coragem para sempre seguir em frente e de tomar decisões

corretas na minha vida.

Agradeço aos meus pais que sempre me incentivaram nessa etapa da minha vida, por terem

me educado da melhor forma possível, por terem sempre mim incentivado a corre atrás dos

meus objetivos e de não desistir deles mesmo havendo alguma dificuldade e por terem sempre

me apoiado nos momentos de dificuldade.

A minha avó, Francisca Carlos, uma pessoa muito importante na minha vida, sempre que eu

preciso dela não importa para quê, ela sempre estará disposta a fazer sem medir esforços.

A minha irmã Maria Rita Santos, que me apóia em todos os momentos e também por se sentir

realizada com a minha vitoria.

Gostaria também de agradecer ao meu orientador, Profº. Dr. Alex Sandro de Araújo, por ter

acreditado na minha capacidade e por ter me ajudado no desenvolvimento e conclusão dessa

tarefa.

Aos professores, Profº. Me. Marcio Furukava e o Profº. Me. Marcus Vinicius Souza

Rodrigues, que estiveram à disponibilidade de estarem presentes na bancada e foram

fundamentais na correção e aprimoramento do meu texto.

Aos meus amigos de curso, Felipe Jales, Bruno Câmara, Plácido Carlos, Jefferson Bruno e ao

demais, que de alguma maneira tornam minha vida acadêmica cada dia mais desafiante e

pelos momentos de lazer que foram essências neste percurso onde rimos e nos ajudamos

mutuamente. Peço a Deus que os abençoe grandemente, preenchendo seus caminhos com

muita paz, amor, sucesso, saúde e prosperidade.

Nunca pense que o sucesso deve-se somente

ao seu próprio desempenho. Se você começar

a ouvir apenas a si mesmo, você dará o

primeiro passo em direção ao fundo. As flores

da vitória pertencem a muitos.

Michael Schumacher

RESUMO

O sistema de suspensão de um veículo é responsável por absorver os impactos

causados pelas irregularidades no solo. O presente trabalho tem como objetivo analisar uma

suspensão automotiva utilizando dinâmica multicorpos. Antes da realização dessa análise foi

feito um levantamento teórico sobre a metodologia utilizadas nos software multicorpos para o

desenvolvimento de produtos, sobre as suspensões automotivas existentes e os elementos

elásticos e estruturais que compõe um sistema de suspensão. Para a realização da análise o

sistema de suspensão foi submetido a duas simulações no software NX 8.0. A primeira

simulação o sistema de suspensão era composto por elementos elásticos usados em carros de

passeio, já na segunda simulação o sistema de suspensão era composto por elementos

elásticos usados em carros off-road. Ao final das simulações foram apresentados resultados

das analises sobre o deslocamento ocorrido no sistema de suspensão e a força exercida pelo

sistema de suspensão. Com esses resultados pode-se analisar como um sistema de suspensão

automotiva se comporta com a utilização de diferentes elementos elásticos.

Palavras-chave: Suspensões automotivas. Sistemas multicorpos. Simulação. NX 8.0.

ABSTRACT

The suspension system of a vehicle is responsible for absorbing the impacts caused by

irregularities in the soil. This study aims to analyze automotive suspension using multibody

dynamics. Before performing this analysis was made on a theoretical methodology used in the

multibody software for product development on the existing automotive suspensions and

elastic and structural composing a suspension system. To perform the analysis suspension

system underwent two simulations in software NX 8.0. The first simulation the suspension

system was composed of elastic elements used in cars, in the second simulation the

suspension system was composed of elastic elements used in off-road cars. At the end of the

simulations were presented results of analysis on the displacement occurred in the suspension

system and the force exerted on the suspension system. These results can be analyzed as an

automotive suspension system behaves with the use of different elastic element.

Keywords: Automotive suspensions. Multibody systems. Simulation. NX 8.0.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Exemplos de sistemas mecânicos que podem ser modelados pelas técnicas MBS . 20

Figura 2 - Tipos de juntas ........................................................................................................ 21

Figura 3 - Origem das forças que agem sobre os sistemas mecânicos .................................... 22

Figura 4 - Restrições nos modelamentos MBS ....................................................................... 23

Figura 5 - Esquema básico de uma suspensão veicular ............................................................ 28

Figura 6 - Cambagem positiva e negativa ................................................................................ 29

Figura 7 - Convergência positiva e negativa ........................................................................... 29

Figura 8 - Ângulo caster .................................................................................................................... 30

Figura 9 - Sistema de suspensão Eixo Rigido .................................................................................. 32

Figura 10 - Sistema de suspensão Hotchkiss ................................................................................... 33

Figura 11 - Sistema de suspensão Four Link ................................................................................... 34

Figura 12 - Sistema de suspensão De Dion ...................................................................................... 35

Figura 13 - Sistema de suspensão Swing Axle ................................................................................ 36

Figura 14 - Sistema de suspensão Trailing Arm ............................................................................. 37

Figura 15 - Sistema de suspensão Semi Trailing Arm ................................................................... 37

Figura 16 - Sistema de suspensão Multi Link .................................................................................. 38

Figura 17 - Sistema de suspensão MacPherson ............................................................................... 39

Figura 18 - Sistema de suspensão Short Long Arm (SLA) ........................................................... 40

Figura 19 - Feixe de molas Semi-Elipticas ...................................................................................... 42

Figura 20 - Feixe de molas Semi-Elipticas do tipo parabólica ...................................................... 42

Figura 21 - Molas Helicoidais............................................................................................................ 43

Figura 22 - Molas Pneumática ........................................................................................................... 45

Figura 23 - Amortecedor Hidráulico ................................................................................................. 46

Figura 24 - Amortecedor Pressurizado ............................................................................................. 47

Figura 25 - Barra Estabilizadora ........................................................................................................ 48

Figura 26 - Pinos Esféricos ................................................................................................................ 48

Figura 27 - Bandeja de Suspensão .................................................................................................... 49

Figura 28 - Modelo da suspensão gerada no NX ............................................................................ 51

Figura 29 - Juntas do modelo da suspensão ......................................................................................... 51

Figura 30 - Plataforma de teste gerada no NX ................................................................................ 52

Figura 31 - junta utilizada na plataforma de teste ........................................................................... 53

Figura 32 - Conjunto suspensão e plataforma de teste ................................................................... 54

LISTA DE GRÁFICOS

Gráfico 1 – Deslocamento vertical da suspensão utilizando elementos elásticos usados em

carros de passeio ....................................................................................................................... 55

Gráfico 2 – Força da suspensão utilizando elementos elásticos usados em carros de passeios

.................................................................................................................................................. 56

Gráfico 3 – Deslocamento vertical da suspensão utilizando elementos elásticos usados em

carros oof-road .......................................................................................................................... 57

Gráfico 4 – Força da suspensão utilizando elementos elásticos usados em carros off-road .............. 58

LISTA DE SIGLAS

CACE – Computer Aided Control Engineering

CAD – Computer Aided Design

CAE – Computer Aided Engineering

CDF – Computational Fluid Dynamics

DAE – Differential Algebraic Equations

FE – Finite Elements

MBS – Multibody Systems

ODE – Ordinary Differential Equations

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 14

1.1 OBJETIVO ......................................................................................................................... 15

1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS ............................................................................................. 16

2 REVISÃO BIBLIOGRAFICA ........................................................................................... 16

2.1 DINÂMICA MULTICORPOS NO DESENVOLVIMENTO DE PRODUTOS...............16

2.2 TECNICAS DE MODELAGEM DE SISTEMAS MULTICORPOS .............................. 19

2.3 METODODOLOGIAS DE ANALISE DE SOFTWARES MULTICORPOS ................. 23

2.3.1 Formulação do Problema .............................................................................................. 24

2.3.2 Definição do Modelo ...................................................................................................... 24

2.3.3 Definição do Modelo Computacional ........................................................................... 24

2.3.4 Formulação do Sistema de Equações ........................................................................... 25

2.3.5 Resolução do Sistema de Equações .............................................................................. 25

2.3.6 Pós-processamento ........................................................................................................ 26

2.3.7 Avaliação e Conclusão ................................................................................................... 26

2.4 PRINCIPAIS TIPOS DE SISTEMAS DE SUSPENSÃO AUTOMOTIVAS ................... 27

2.4.1 Ângulo Camber .............................................................................................................. 28

2.4.2 Ângulo de Convergência ............................................................................................... 29

2.4.3 Ângulo Caster ................................................................................................................ 30

2.4.4 Massa Suspensa e Massa não Suspensão ..................................................................... 30

2.4.5 Centro de Rolamento .................................................................................................... 30

2.4.6 Suspensões Dependentes ............................................................................................... 31

2.4.6.1 Eixo Rígido ................................................................................................................... 31

2.4.6.2 Hotchkiss ...................................................................................................................... 32

2.4.6.3 Four Link ...................................................................................................................... 33

2.4.6.4 De Dion ........................................................................................................................ 34

2.4.7 Suspensões Independentes ............................................................................................ 35

2.4.7.1 Swing Axle ................................................................................................................... 35

2.4.7.2 Trailing Arm ................................................................................................................. 36

2.4.7.3 Semi Trailing Arm ........................................................................................................ 37

2.4.7.4 Multi Link ..................................................................................................................... 38

2.4.7.5 MacPherson .................................................................................................................. 38

2.4.7.6 Short Long Arm (SLA)................................................................................................. 39

2.5 PRINCIPAIS COMPONENTES DE UM SISTEMA DE SUSPENSÃO .......................... 40

2.5.1 Molas ............................................................................................................................... 41

2.5.1.1 Molas Semi-Elipticas .................................................................................................... 41

2.5.1.2 Molas Helicoidais ......................................................................................................... 42

2.5.1.3 Molas Pneumáticas ....................................................................................................... 44

2.5.2 Amortedores ................................................................................................................... 45

2.5.2.1 Amortecedor Hidráulico ............................................................................................... 46

2.5.2.2 Amortecedor Pressurizado ............................................................................................ 46

2.5.3 Barra Estabilizadora ..................................................................................................... 47

2.5.4 Pinos Esfericos ............................................................................................................... 48

2.5.5 Bandeja de Suspensão ................................................................................................... 48

3 METODOLOGIA ................................................................................................................ 49

3.1 O SOFTWARE NX ............................................................................................................ 49

3.2 MODELO DA SUSPENSÃO GERADA NO NX ............................................................. 50

3.3 MODELO DA PLATAFORMA DE TESTE ..................................................................... 52

4 SIMULAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS .......................................................... 53

4.1 ANÁLISE DO MODELO DE SUSPENSÃO UTILIZANDO ELEMENTOS ELÁSTICOS

USADOS EM CARROS DE PASSEIO ................................................................................... 54

4.2 ANÁLISE DO MODELO DE SUSPENSÃO UTILIZANDO ELEMENTOS ELÁSTICOS

USADOS EM CARROS OFF-ROAD ..................................................................................... 56

5 CONCLUSÃO ...................................................................................................................... 59

REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 60

14

1 INTRODUÇÃO

Na indústria automobilística o desenvolvimento tradicional de projetos demandava um

enorme custo financeiro e longos períodos de tempo, isso devido ao fato de que as indústrias

tinham que construir e testar diversos protótipos antes que o produto chegasse à sua versão

final. Mas segundo Rezende (2007) isso vem mudando devido ao grande avanço tecnológico

nas ultimas décadas, associados ao desenvolvimento de softwares de simulação MBS

(Multibody Systems) o qual proporciona à indústria automobilística uma maior dinâmica no

desenvolvimento de seus produtos. Com o surgimento dessas ferramentas computacionais que

incorporam as tecnologias CAD (Computer Aided Design) e CAE (Computer Aided

Engineering) voltadas ao desenvolvimento de projetos permitiu à indústria automobilística

reduzir consideravelmente os custos e o tempo de desenvolvimento de seus produtos

(REZENDE, 2007).

Nos dias atuais existe um grande número de softwares comerciais à disposição de

engenheiros e projetista que permitem a elaboração de modelos computacionais com alto grau

de sofisticação e riqueza de detalhes para simulação de sistemas mecânicos como, por

exemplo, os veículos ou seus subsistemas em diversas condições de operação. Tais software

possuem algoritmos de otimização inseridos em seus próprios códigos ou podem ser

acoplados a programas específicos de otimização visando proporcionar a evolução automática

do projeto de um determinado sistema do veiculo até a uma configuração satisfatória,

podendo também fazer análise de projetos mecânicos para permitir uma compreensão de

todos os parâmetros de projetos (REZENDE, 2007).

Um dos subsistemas de um veículo que pode ter suas características analisadas com

um maior número de detalhes por um software multicorpos é o sistema de suspensão, que é

um mecanismo do veiculo que possibilita o movimento da roda em relação ao mesmo tendo

elementos elásticos para suportar cargas.

O sistema de suspensão automotiva tem como função impedir que as irregularidades

do pavimento sejam transmitidas para o veiculo. Há outras tarefas não menos importantes

como conserva as rodas em posição favorável nas curvas e em contato com o solo diante de

toda espécie de oscilação causada por irregularidade, por menor que seja. As suspensões

automotivas são sistemas desenvolvidos para permitir ao motorista o pleno controle do

veículo (SÁBOIA FILHO; NABARRETE, 2009). Pode-se afirmar que esses sistemas devem

desempenhar, com eficiência, três funções (GILLESPIE, 1992):

15

Isolamento – a função isolamento está diretamente relacionada ao conforto dos

passageiros durante os deslocamentos do automóvel. O isolamento consiste em

atenuar as irregularidades do terreno para que as vibrações sejam transferidas ao

habitáculo do automóvel com menor intensidade;

Aderência – já esta segunda função leva em consideração a capacidade das rodas do

veículo manterem-se ao solo, permitindo sempre a resposta solicitada quando o

motorista comanda acelerador, freio e direção;

Estabilidade – está última função deve propiciar ao veículo a capacidade de executar

vasta quantidade de manobras, como curvas, frenagens e acelerações, sempre com a

retomada segura do controle quando as mesmas são completadas;

Os componentes elementares de um sistema suspensão veicular são a mola, cuja

função é armazenar energia, e o amortecedor, responsável pela dissipação da energia

absorvida pela mola. Além desses componentes, existem elementos estruturais, que

caracterizam a integração da mola, amortecedor e roda como um mecanismo dando forma e

movimento ao sistema. As diversas possibilidades de integração entre esses componentes

fazem possível identificar uma vasta gama de modelos de suspensão automotiva (SÁBOIA

FILHO; NABARRETE, 2009).

A opção pelo estudo na área de dinâmica multicorpos deve-se ao fato de trata-se de um

tema bastante atual e que no meio acadêmico não se encontra contribuições significativas,

tendo em vista que as técnicas de dinâmica multicorpos para análise de sistemas mecânicos

possuem habilidades para abordar problemas complexos, que envolver vários corpos e grande

quantidade de graus de liberdade.

1.1 OBJETIVO

Este trabalho tem com objetivo analisar uma suspensão automobilística utilizando

componentes elementares diferentes onde estes são representados pela mola e pelo

amortecedor, utilizando o software comercial NX 8.0 o qual desenvolve analises de dinâmica

multicorpos. No trabalho a suspensão foi submetida a uma analise de simulação utilizando o

software, sendo feito dois estudos de caso, na primeira simulação a suspensão estava

composta por um amortecedor e uma mola utilizados em carros off-road, já na segunda

simulação a suspensão recebeu uma mola e um amortecedor utilizados em carros de passeios.

16

1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS

Os objetivos específicos deste trabalho são: Fazer um levantamento bibliográfico sobe

os tipos de suspensões existentes e os seus componentes; estabelecer cenários de simulação; e

analisar os resultados obtidos com a simulação.

2 REVISÃO BIBLIOGRAFICA

Este capítulo tem como objetivo apresentar uma revisão bibliográfica sobre os

aspectos mais relevantes para o desenvolvimento deste trabalho. Na revisão bibliográfica é

apresentado o funcionamento de softwares multicorpos no desenvolvimento de produtos,

também são apresentadas as técnicas de modelagem e os principais tipos de suspensões

automotivas existentes e os seus principais componentes.

2.1 DINÂMICA MULTICORPOS NO DESENVOLVIMENTO DE PRODUTOS

O surgimento de novas ferramentas computacionais nas ultimas décadas tem causado

um grande impacto no processo de desenvolvimento de produtos. Vários softwares baseados

em diversas disciplinas de engenharia estão disponíveis para auxiliar os engenheiros neste

processo. Mas segundo Santos (2007) é importante que estas disciplinas encontrem-se

integrados em um processo de Engenharia Simultânea (do inglês, Simultaneous Engineering),

onde todas as atividades importantes como projeto, análises, testes e fabricação sejam

envolvidas o mais cedo possível no processo de desenvolvimento de um novo produto. Esta

metodologia permite que se tomem decisões corretas antecipadamente e, assim, tanto o tempo

quanto o custo do projeto podem ser reduzidos.

Atualmente as ferramentas computacionais de sistemas multicorpos com suas

possibilidades e vantagens ainda não se encontram completamente exploradas nas indústrias.

Segundo Larsson (2001) através do uso adequado de ferramentas de simulação, o setor

industrial pode:

Experimentar um maior número de alternativas de projeto em um menor intervalo de

tempo.

Simular um maior número de condições às quais o produto estaria sujeito,

possibilitando a descoberta de um possível comportamento não esperado.

17

Melhorar a qualidade do produto por adquirir um maior conhecimento do mesmo e,

conseqüentemente, tomar decisões de forma mais correta.

Diminuir o tempo de lançamento de um produto no mercado através da redução de

iterações de projeto.

Desenvolver produtos orientados por simulações computacionais e não simplesmente

verificados por ela.

Verificar através de testes virtuais que o produto efetivamente cumpre as

especificações de projeto e satisfaz os requisitos dos consumidores.

Otimizar diversos parâmetros do produto antes mesmo da construção do protótipo.

Larsson ressalta, ainda, os benefícios da aplicação da simulação computacional para a

comunidade acadêmica:

Adquirir um maior conhecimento da teoria de sistemas multicorpos.

Identificar os fatores que influenciam a eficiência do processo de simulação de

sistemas multicorpos.

Descobrir a melhor forma de estruturar o processo de simulação de sistemas

multicorpos quando do desenvolvimento de novos produtos.

Segundo Santos (2007) o desenvolvimento de ferramentas CAD (Computer Aided

Design) permite sua utilização em uma grande parte da cadeia de desenvolvimento de um

produto. Uma análise integrada de um produto ainda em fase de projeto já é possível já que

modelos CAD podem ser utilizados na criação de modelos de Elementos Finitos (Finite

Elements, ou FE) para análises estruturais, modelos MBS (Multibody Systems) para análises

dinâmicas e até modelos CFD (Computational Fluid Dynamics) para simulações de

escoamento ou interações fluido-estrutura. Ainda dentro do contexto das ferramentas

computacionais empregadas no desenvolvimento de produtos, é importante citar aquelas

responsáveis por implementar leis de controle aos modelos mencionados, ou seja, os sistemas

CACE (Computer Aided Control Engineering).

Segundo Kortüm; Vaculín (2003) todas estas ferramentas devem interagir, já que

ainda não existe um pacote de engenharia multidisciplinar que aborde todas as disciplinas

necessárias para que se construa um modelo completo. Os autores sugerem a utilização de um

pacote de ferramentas CAD para a construção de um modelo tridimensional que poderia ser

exportado para um software MBS para a geração das equações dinâmicas a partir do

18

formalismo de Newton-Euler, por exemplo. Após um estudo do comportamento dinâmico do

sistema em malha aberta no software MBS, as equações poderiam ser exportadas para um

pacote CACE, onde seriam linearizadas e o sistema seria submetido a uma lei de controle.

Como o controlador deve ser validado no modelo não-linear, o software MBS seria utilizado

na simulação final do sistema controlado. Finalizado o procedimento de simulação do modelo

controlado, poder-se-ia importar a geometria desenvolvida no pacote CAD para desenvolver

animações tridimensionais das simulações, o que facilitaria uma análise do comportamento

dinâmico geral do sistema em questão.

O estágio de desenvolvimento dos pacotes MBS mostra que uma ferramenta

computacional de multicorpos poderia facilmente atuar como uma plataforma integradora

para todas as ferramentas de Computer Aided Engineering (CAE) supracitadas. Pode-se citar

como exemplo, o software SIMPACK, que é tradicionalmente conhecido por atuar como

interface entre os outros pacotes CAE e acaba sendo muito utilizado como solução no

desenvolvimento de projetos mecatrônicos (KORTÜM; VACULÍN, 2003).

Então com a utilização de ferramentas de simulações multicorpos e com a realização

de testes com os produtos virtuais, as empresas podem melhorar seu processo de

desenvolvimento, culminando na elaboração de produtos otimizados e de melhor qualidade e

permitindo que os produtos sejam lançados no mercado em um período de tempo reduzido.

De acordo com Costa Neto (1992) um Sistema Multicorpos é definido como um

sistema mecânico com vários graus de liberdade. Efetivamente, se o sistema mecânico possui

dois ou mais corpos já podem ser considerados como um MBS. Larsson (2001) ainda ressaltar

que o estudo de sistemas multicorpos consiste em uma análise de como um mecanismo se

movimenta através da influência de forças, ou seja, faz parte da chamada Dinâmica Direta. O

estudo do problema inverso, isto é, quais forças são necessárias para fazer um mecanismo

mover-se de uma forma específica é conhecido como um problema de Dinâmica Inversa e é

muito útil no campo da Robótica, onde o controle preciso de movimentos é necessário.

O surgimento da abordagem MBS para a resolução de problemas dinâmicos data do

início do século passado. No entanto, devido à não existência de recursos computacionais na

época, as equações resultantes da teoria aplicada não podiam ser exploradas profundamente.

A abordagem por multicorpos ficou, então, subutilizada por quase meio século, sendo

retomada quando a humanidade iniciou suas tentativas de exploração do espaço. Nesta época,

foi preciso desenvolver equações dinâmicas e suas soluções para satélites e ônibus espaciais

complexos. Simultaneamente, grandes esforços foram realizados para disponibilizar

19

computadores digitais de alta capacidade de processamento, o que propiciou a utilização da

teoria multicorpos na corrida espacial (KORTÜM; VACULÍN, 2003).

Existem diferentes alternativas para a formulação das equações que regem a dinâmica

de um sistema multicorpos. Os formalismos mais conhecidos são o de Newton-Euler, o de

Lagrange e o desenvolvido por Kane, que é o mais recente. O formalismo de Newton-Euler

baseia-se na inclusão de todas as forças de restrição atuando em todos os corpos do sistema,

resultando em um maior número de equações que de incógnitas, o que atrapalha a resolução

do problema. Os formalismos de Lagrange e de Kane eliminam as forças de restrição a partir

da aplicação do Princípio de D’Alembert, o que possibilita a redução do número de equações

em relação ao formalismo de Newton-Euler e uma resolução mais simples e eficiente para o

problema abordado (LARSSON, 2001).

Wallrapp (2004) destaca que as equações dinâmicas de MBS são, em geral, equações

diferenciais não-lineares. Dependendo das coordenadas escolhidas para representar os

movimentos dos corpos, pode-se chegar tanto a um sistema de equações diferenciais

ordinárias (do inglês, Ordinary Differential Equations, ou ODEs) quanto a um conjunto de

equações diferenciais com equações algébricas (do inglês, Differential Algebraic Equations,

ou DAEs). Por isso, o desenvolvimento da teoria de multicorpos sempre esteve intimamente

relacionada à solução de ODEs e DAEs, além do desenvolvimento de métodos numéricos

para resolvê-las.

Wallrapp (2004) ainda ressalta que a grande vantagem da abordagem por multicorpos

encontra-se na possibilidade de trabalhar com juntas não-lineares entre corpos e relações de

forças também não-lineares para descrever o comportamento de corpos em aplicações

específicas como em motores magnéticos, contato entre roda e trilhos ferroviários, modelos

de pneus, caracterização de molas e amortecedores viscosos e etc. Além disso, os poderosos

métodos numéricos desenvolvidos para a resolução das equações dinâmicas de MBS

permitem que engenheiros e cientistas obtenham resultados rápidos tanto no domínio do

tempo quanto no domínio da freqüência.

2.2 TÉCNICAS DE MODELAGEM DE SISTEMAS MULTICORPOS

As técnicas de modelagem de um sistema multicorpos podem ser utilizadas na análise

de projeto de qualquer sistema mecânico que possa ser modelado como um conjunto de

corpos rígidos interconectados por juntas, que tenham influencia de forças, dirigidos por

movimentos determinados e limitados por restrições. Exemplos de sistemas mecânicos,

20

mostrado na Figura 1, que podem ser estudados através destas técnicas que incluem naves

espaciais articuladas, veículos terrestres, mecanismos e máquinas manipuladores, dispositivos

eletromecânicos de alta velocidade, entre outros (KONDO, 1997).

Como foi definido anteriormente, um sistema MBS é composto por um número muito

grande de corpos que apresentam massa ou momentos e produto de inércia, conectados entre

si por juntas sem massa e elementos que transmitem esforços. As juntas têm a função de

restringir determinados graus de liberdade entre os corpos unidos por elas. Elementos de força

podem ser passivos, quando causam apenas forças de reação nos corpos devido ao movimento

relativo entre eles, ou ativos, quando as forças aplicadas aos corpos são resultado da atuação

de um sistema de controle composto por sensores, atuadores e leis de controle.

Segundo Kondo (1997) os conjuntos de corpos rígidos que estão conectados por juntas

são considerado topologicamente equivalente a uma “árvore” (cadeia de corpos com ramos)

que pode ter alguns ramos conectados pra formar laços. Várias juntas de rotação ou de

translação são conectadas a esses corpos. A topologia de um sistema pode ser aberta (árvore)

ou fechada (laço). Além disso, os sistemas podem ter livre movimento, como satélites, ou

preços ao chão, como veículos.

Figura 1- Exemplos de sistemas mecânicos que podem ser modelados pelas técnicas MBS: (a)

mecanismo e máquinas; (b) veículos terrestres; (c) veículos espaciais articulados; (d)

engrenagens; (e) manipuladores; (f) cabos; (g) dispositivos eletromecânicos de alta velocidade

Fonte: Kondo, 1997.

21

De acordo com Kondo (1997) a construção das juntas poder ser baseadas em três

formas primitivas: juntas de rotação unidimensional (juntas de pino), juntas de rotação

bidimensional (juntas de translação) e juntas de rotação tridimensional (juntas esféricas).

Estas três primitivas podem ser utilizadas para construir outros tipos de juntas, tais como

juntas universais (junta de rotação bidimensional com um eixo articulável), junta gimbal

(junta de rotação tridimensional), junta seis graus de liberdade, (juntas livres ou juntas com

seis graus de liberdade utilizando três juntas de translação e uma junta esférica), juntas

cilíndricas (combinação de juntas de translação e de pino), juntas planares (duas juntas de

translação mais uma junta de pino) e juntas soldadas (uma junta com zero grau de liberdade,

muito útil para fechar certos tipos de laços). Na Figura 2 são mostrados os tipos de juntas

encontradas em sistemas mecânicos.

Figura 2- Tipos de juntas: (a) junta de pino; (b) junta de translação; (c) junta esférica; (d) junta

soldada; (e) junta universal; (f) junta gimbal; (g) junta planar; (h) junta cilíndrica; (i) junta de

seis graus de liberdade

Fonte: Kondo, 1997.

Kondo (1997) ainda menciona que as forças e torques que influenciam os sistemas

mecânicos, que são frequentemente chamados de cargas, podem ser de três tipos, como

mostradas na Figura 3.

22

Aplicadas externamente

Forças externas podem ser aplicadas em qualquer posição em qualquer corpo. Do

mesmo modo, torques externos podem ser aplicados em qualquer corpo. Exemplos de cargas

de incluem impulsores, pneus, fricção externa, forças de fluido e molas.

Aplicadas internamente

Forças e torques internos podem ser aplicados em qualquer eixo de junta. Exemplos de

cargas incluem sistemas de motores, acionadores hidráulicos, molas dobráveis e

amortecedores.

Gravitacional

Sistemas mecânicos podem ser influenciados por um campo gravitacional uniforme ou

não-uniforme, no caso de sistemas que atuam no espaço.

Figura 3- Origem das forças que agem sobre os sistemas mecânicos: (a) amortecedores; (b)

molas; (c) gravidade; (d) motores e máquinas; (e) controle de realimentação; (f) controle

direto; (g) pressão; (h) pneus

Fonte: Kondo, 1997.

Os vários tipos de juntas de qualquer sistema mecânico podem restringi os seus

movimentos. Também os movimentos podem ser determinados por fatores internos, como

motores, ou externos como perfil de estrada, movimentos orbitais, entre outros (KONDO,

23

1997). Na Figura 4 são mostrados os fatores que restringem os movimentos do sistema

mecânico.

Figura 4- Restrições nos modelos MBS: (a) engrenagens; (b) distâncias; (c) trilhos; (d)

correias e polias

Fonte: Kondo, 1997.

2.3 METODOLOGIAS PARA ANÁLISE DE SOFTWARES MULTICORPOS

Os softwares de simulação para a análise do comportamento dinâmico de sistemas

mecânicos permitem a formulação das equações de movimento e sua resolução automática,

possuindo diferentes recursos, como geração das equações de movimento na forma numérica

ou simbólica, integradores numéricos, interface gráfica para a entrada e saída de dados,

capacidade de animação gráfica dos resultados, conectividade com sistemas CAD e FE e até

mesmo ferramentas para análise de sinais (SANTOS, 2007).

Os softwares comerciais para simulação de sistemas mecânicos com integração

CAD/CAE começaram a ser desenvolvidos na década de 70. Eles são utilizados na

determinação das equações dinâmicas de sistemas multicorpos e, para isso, fazem uso dos

formalismos de Newton-Euler e de Lagrange. Além de determinar as equações, tais softwares

também são capazes de integrá-las numericamente para condições iniciais previamente

especificadas (LARSSON, 2001).

Segundo Larsson (2001), a metodologia de análise de um sistema de multicorpos

através de software de simulação pode ser dividida em 7 passos principais conforme segue:

a) Formulação do Problema.

b) Definição do Modelo.

24

c) Definição do Modelo Computacional

d) Formulação do Sistema de Equações.

e) Resolução do Sistema de Equações

f) Pós-processamento dos Resultados.

g) Avaliação e conclusão.

2.3.1 Formulação do Problema

De acordo com Larsson (2001), na fase de Formulação do Problema, deve-se definir

os efeitos físicos a serem considerados ou desconsiderados no problema em questão e o

objetivo da análise MBS, sendo que o objetivo da análise pode ser definido a partir das

entidades físicas que se pretende calcular, como, por exemplo, valores de força, torque ou

acelerações aos quais determinados corpos estão sujeitos. De forma mais explícita, é

importante definir tecnicamente o problema a ser resolvido, as limitações do sistema e seus

componentes.

2.3.2 Definição do Modelo

Após o problema ser apontado e os componentes do sistema serem definidos, Larsson

(2001) prossegue à Definição do Modelo. Para facilitar a analise o modelo deve ser o mais

simples possível, mas devendo descrever adequadamente o sistema há ser analisado. Nesta

fase devem-se coletar os dados e parâmetros importantes do sistema. Parâmetros do sistema

incluem, tipicamente, massas, inércias, propriedades de componentes como rigidez e

coeficiente de amortecimento e etc.

2.3.3 Definição do Modelo Computacional

Larsson (2001) enfatiza o fato de que, dependendo do método escolhido para a

resolução das equações, a Definição do Modelo Computacional pode ser feita de várias

maneiras. Sendo um modelo computacional mais detalhado encontra-se diretamente ligado a

um método de resolução menos flexível. O nível de detalhamento de um modelo pode variar

de um simples modelo linear de um grau de liberdade até um modelo sólido complexo e

25

tridimensional com vários graus de liberdade. A partir do momento que se pretende construir

modelos mais complexos é aconselhável acoplar a definição do sistema dinâmico a um pacote

CAD, pela razão de ser mais fácil de definir a geometria, calcular massas, momentos e

produtos de inércia, posições das juntas e etc. Modelos tridimensionais construídos em

sistemas CAD também são bastante úteis na visualização e revisão da geometria em fases

mais avançadas do processo de análise. O método de modelagem de sistemas multicorpos

baseia-se na definição de elementos como corpos rígidos, partículas, rolamentos, juntas,

apoios, molas, amortecedores e atuadores.

2.3.4 Formulação do Sistema de Equações

A Formulação do Sistema de Equações era uma tarefa difícil e trabalhosa há alguns

anos atrás e, hoje em dia para alguns problemas, dependendo da abordagem considerada,

continua sendo. Vários softwares de MBS comerciais, como ADAMS e DADS, por exemplo,

determinam automaticamente as equações dinâmicas do sistema e as resolvem para condições

iniciais dadas. Apesar disso, algumas vezes é necessário que se tenha um maior controle sobre

o processo de geração destas equações (LARSSON, 2001).

2.3.5 Resolução do Sistema de Equações

De acordo Larsson (2001), a Resolução do Sistema de Equações pode ser feita de

varias formas. Nos softwares comerciais para análises dinâmicas, a resolução das equações no

domínio do tempo pode ser realizada automaticamente, com pouca ou mesmo nenhuma

interação por parte do usuário. Apenas a entrada de alguns parâmetros como passo de

integração e tempo de simulação faz-se necessária. A partir do momento que se pretende

trabalhar com as equações de uma forma mais direta, é indicado que se trabalhe com

softwares científicos como o MATLAB, por exemplo. Apesar de as ferramentas de simulação

se mostrarem eficientes para a integração numérica, é preciso que o usuário mantenha-se

atento, pois pode haver erros devidos a instabilidades numéricas. Estes eventos resultam

frequentemente em falhas na simulação. Para minimizar a ocorrência de falhas é importante

que se tenha controle sobre as configurações dos integradores numéricos. Informações sobre

tais configurações encontram-se disponíveis nos manuais de referência do software utilizado e

devem ser sempre levadas em consideração.

26

2.3.6 Pós-processamento

Quando os processos de modelagem e análise computacional são finalizados, segundo

Larsson (2001), dá-se início à etapa mais crucial do processo: o Pós-processamento dos

Resultados. Quando se utiliza um software comercial para a análise dinâmica de um sistema

complexo, o número de resultados a serem analisados pode ser enorme. Para um simples

sistema de multicorpos com algumas partes, existem dezenas de variáveis (deslocamentos,

velocidades, acelerações, forças e torques) que se pode investigar.

Conforme ressalta Larsson (2001), a forma mais simples de análise de um resultado se

dá quando um o valor de uma ou mais variáveis são requeridos em um instante de tempo pré-

definido. Então o resultado é o valor da variável no instante considerado. Para analisar a

resposta do sistema durante um determinado intervalo de tempo, é aconselhável que sejam

plotados gráficos que ilustrem a variação da grandeza em questão no referido período. Esta

prática é muito utilizada na comparação de modelos iguais mais que possuam parâmetros

diferentes. Para a análise de resultados de simulações de sistemas multicorpos o uso de

animações é uma forma bastante comum, já que consiste em uma boa alternativa para a

visualização do comportamento dinâmico do sistema. O uso de animações exige, no entanto, a

disponibilidade de informações sobre a geometria das partes na forma de modelos sólidos, por

exemplo. Podendo ser visualizadas localmente nos programas de MBS comerciais ou, ainda,

exportadas na forma de arquivos de vídeo. Os resultados das simulações podem, também, ser

analisados na forma de tabela em arquivos texto. Então desta forma, os resultados obtidos

podem ser utilizados para alimentar outros processos, como simulações posteriores,

algoritmos de otimização ou de controle.

2.3.7 Avaliação e Conclusão

Segundo Larsson (2001) quando todo processo de formulação do problema, a

modelagem, a analise e interpretação de resultados são completados entra a ultima etapa do

processo que é a avaliação e conclusão de determinado resultados, ou seja, a avaliação do

comportamento do sistema o qual será comparado com a especificação inicial do problema.

Se o problema estiver resolvido, então tem que seguir em frente com o próximo passo para o

desenvolvimento do processo. Se houver o caso do problema não ser resolvido, é importante

descobrir o que errado e talvez repetir o procedimento da analise MBS mais uma vez.

27

2.4 PRINCIPAIS TIPOS DE SISTEMAS DE SUSPENSÃO AUTOMOTIVA

Os sistemas de suspensão surgiram com a necessidade proporcionar conforto e

absorver as irregularidades dos terrenos, na época em que os veículos eram movidos com

tração animal. À medida que os veículos atingiam maiores velocidades no trânsito e com

melhoramento das condições das estradas, as indústrias automobilísticas tiveram que

intensificaram os estudos para a otimização do comportamento das suspensões (MÁXIMO,

2006). Segundo Gillespie (1992), as suas funções principais são:

Permitir a movimentação vertical das rodas ao longo do percurso, isolando o

chassis das imperfeições do solo;

Manter as rodas nos seus ângulos característicos previstos seja estática ou

dinamicamente, executando manobras de mudança de direção e curvas;

Suportar as forças de reação impostas pelos pneus, ou seja, transmitir

aceleração e suportar frenagens longitudinais e forças laterais (curvas);

Suportar os efeitos de rolamento lateral do chassis ou monobloco;

Manter os pneus em contato com o solo, com as menores variações de cargas

possíveis.

Além de permitir a movimentação vertical das rodas, o projeto da geometria da

suspensão dever contribuir também para reduzir as movimentações indesejáveis com relação

ao terreno para que se tenha o conforto dos passageiros durante o deslocamento do automóvel.

Na Figura 5 é mostrado o esquema básico de uma suspensão. A mola principal sustenta a

massa suspensa, e o amortecedor atua dissipando a energia da mola armazenada durante a

movimentação. O pneu também possui uma flexibilidade atuando em série com a mola. Os

amortecimentos atuam em paralelo (MÁXIMO, 2006).

28

Figura 5 – Esquema básico de uma suspensão veicular

Fonte: Máximo, 2006.

Segundo Pereira (2011) os sistemas de suspensão podem pertencer a dois subgrupos,

suspensão dependente e independente. No sistema de suspensão dependente, o movimento

vertical de uma roda implica no movimento vertical da outra roda que se encontra no mesmo

eixo, já o sistema independente, como o nome sugere, o movimento vertical de uma roda é

independente da outra.

O sistema independente ele garante uma maior estabilidade ao veiculo, porém possuir

um maior custo na fabricação do veiculo. Diante disso no mercado são usadas varias

combinações possíveis entre estes tipos de suspensão.

Para o melhoramento da compreensão sobre os tipos de sistemas de suspensão a serem

tratados a seguir, primeiro vamos definir algumas propriedades da geometria de uma

suspensão.

2.4.1 Ângulo Camber

De acordo com Pereira (2011) o ângulo camber, mostrado na Figura 6, é determinado

pela inclinação da parte superior da roda, para dentro ou para fora em relação a um plano

vertical, podendo ser positivo ou negativo dependendo da posição do pneu, ou seja, quando as

rodas estão inclinadas com a extremidade superior apontando para dentro do veiculo o camber

é dito negativo e quando aponta para fora o camber é dito positivo e ainda tem a situação em

que o ângulo de camber é igual a zero, ou seja, quando os pneus fazendo um ângulo de 90°

em relação ao solo. A função do camber é distribuir o peso do veiculo sobre a banda de

rodagem do pneu de maneira uniforme evitando o desgaste irregular dos mesmos.

29

Figura 6 – Cambagem positiva e negativa

Fonte: www.abrapneus.com.br

2.4.2 Ângulo de Convergência

O ângulo de convergência, mostrado na Figura 7, é medido na vista superior entre a

roda e um plano paralelo ao eixo longitudinal do veiculo. Se a parte frontal das rodas é

apontada para dentro do veiculo, diz-se que elas são convergentes e se for aponta para fora

elas são ditas divergentes (REZENDE, 2007).

Esse ângulo tem o objetivo de fazer com que as rodas fiquem paralelas com a

trajetória, quando o veiculo está em movimento, evitando assim uma fricção lateral dos pneus

com o solo, minimizando desgaste dos mesmos (PEREIRA, 2011).

Figura 7 – Convergência positiva e negativa

Fonte: www.abrapneus.com.br

30

2.4.3 Ângulo Caster

O ângulo caster, mostrado na Figura 8, é a inclinação do pino mestre ou o braço de

suporte do eixo na parte superior, em relação ao um plano vertical tendo que essa inclinação

pode ser para frente (negativo) ou para trás (positivo). Sendo ele responsável pela estabilidade

direcional do veiculo.Com um caster desigual faz com que a roda puxe o pneu para um lado,

ocasionando um desgaste irregular na banda de rodagem do pneu. Já com o caster excessivo

originaria um desgaste total e prematuro da banda de rodagem do pneu (PERERIRA, 2011).

Figura 8 – Ângulo caster

Fonte: www.abrapneus.com.br

2.4.4 Massa Suspensa e Massa não Suspensa

A massa suspensa de um sistema de suspensão consiste na massa total dos elementos

que são sustentados pelas molas. Entre estes elementos estão a carroceria, chassis, motor,

câmbio e a massa dos ocupantes do veiculo. Já a massa não suspensa é o nome atribuído a

todos os elementos que não são sustentados pelas molas. Fazem parte deste grupo os pneus, as

rodas, os eixos, alguns elementos do sistema de direção e o diferencial, quando este não são

montados no chassis (REZENDE, 2007).

2.4.5 Centro de Rolamento

O centro de rolamento é um ponto que associa as forças atuantes na massa suspensa

(massa do chassi, carroceria e todos os sistemas internos) e na massa não suspensa (massa de

tudo que se encontra entre o chassi e o solo) do veiculo. Quando um carro faz uma curva

surgem forças laterais ocasionada pela aceleração centrifuga. Essas forças que aparecem

devido à aceleração lateral geram uma reação no pneu devido ao atrito entre a banda de

rolagem e o solo. O centro de rolagem de uma suspensão é o ponto onde podemos transferir

31

essa força lateral juntamente com o devido momento, dependendo da distância entre o centro

de rolagem e o solo, e como isso obter um sistema equivalente (GILLESPIE, 1992).

Depois de temos vistos alguns dos parâmetros mais importante da geometria de um

sistema de suspensão, então agora passaremos a ver os tipos de suspensões.

2.4.6 Suspensões Dependentes

Para o sistema de suspensão dependente, o movimento de uma roda de um dos lados

do veículo está dependente do movimento da roda do outro lado. Quando uma roda do veículo

atinge um obstáculo, o efeito é transmitido diretamente ao seu parceiro (roda) do outro lado.

Isto tem um efeito prejudicial no passeio e manipulação do veículo. Como principais

representantes desta categoria de sistema de suspensões podem se destacados os seguintes

sistemas: Eixo rígido, Hotchkiss, Four Link e De Dion.

2.4.6.1 Eixo Rígido

O sistema de suspensão conhecido como “eixo rígido”, mostrado na Figura 9, é um

dos mais utilizados atualmente no eixo traseiro dos veículos. De acordo com Pereira (2011)

este tipo de suspensão é basicamente constituído por um eixo rígido ligado às rodas e por

molas helicoidais ou semi-elípticas. O autor ainda ressalta que neste tipo de suspensão as

rodas são dependentes, fazendo com que quando uma tenha movimento ambas às rodas

sofram variação na sua cambagem.

No caso em que o sistema de suspensão dianteira é do tipo eixo rígido isso vai causar

o temido shimmy, que seria uma oscilação de media intensidade das rodas que é transmitida

ao volante.

O sistema de suspensão eixo rígido tem como vantagens o baixo custo, a robustez e a

ausência de manutenção (nunca requer alinhamento do câmber). Gillespie (1992) ainda

ressaltar que o sistema de suspensão eixo rígido têm a vantagem, de que a cambagem das

rodas não será afetadas por oscilações da carroceria. Portanto, é pouco a cambagem das rodas

em curvas. Mas existem algumas desvantagens do sistema eixo rígido como, a dependência

das rodas que estão no mesmo eixo, tendo que a oscilação que uma roda sofre de um lado será

transmitida para a outra roda causando perturbamento no comportamento do veiculo e a

grande massa não suspensa, exigindo elementos de ligações mais robustos, como buchas e

32

bandejas, tornando o conforto bastante limitado e de pouca estabilidade, onde as ondulações

do terreno podem fazer com que os pneus percam o contato com o solo.

De acordo com Pereira (2011) quando o sistema eixo rígido encontra uma

irregularidade do solo, este transfere a energia do choque para as molas. Porém, devido ao seu

alto peso, ele também transfere uma maior quantidade de movimento, ou seja, mais energia

deve ser controlada pelo conjunto molas e amortecedores. Naturalmente, a energia que as

molas não conseguem absorver, é transferida para a carroceria em forma de choque. Devido a

este fato, este tipo de sistema não é muito bom em termos de conforto aos passageiros do

veiculo.

Figura 9 – Sistema de suspensão Eixo Rigido

Fonte: www.movidosagasolina.com.br

2.4.6.2 Hotchkiss

O sistema de suspensão Hotchkiss, mostrada na Figura 10, é um arranjo do sistema

eixo rígido, que utiliza feixe de molas semi-elipticas, sendo amplamente empregado em

veículos de carga. Segundo Rezende (2007) este sistema de suspensão apresenta em sua

configuração mais típica as molas de lâminas semi-elipticas montadas longitudinalmente com

sua extremidades conectadas ao chassis e o eixo montado próximo ao seu centro. Sua

concepção é bastante simples e funcional, uma vez que as próprias molas de lâmina

funcionam como braços de controle da suspensão.

33

Figura 10 – Sistema de suspensão Hotchkiss

Fonte: Gillespie, 1992.

Suas principais desvantagens são o amortecimento de Coulomb provocado pelo atrito

entre as lâminas das molas, a capacidade limitada de transferir torque entre as rodas e o solo, a

grande massa não suspensa e a imprecisão no posicionamento para montagem do eixo. Além

disto, para se obter conforto são necessárias molas macias e isto implica em molas de lâmina

longas. Nesta configuração, as molas podem apresentar problemas de flambagem, (efeito S) o

que impõe sérias restrições de seu uso em veículos de passageiros. Contudo estas

desvantagens não são fatores que contra indiquem o seu uso em veículos pesados

(REZENDE, 2007).

2.4.6.3 Four Link

O sistema de suspensão Four Link começou a ser utilizado com a finalidade de

eliminar as deficiências do sistema Hotchkiss em uma época em que os sistemas de

suspensões dependentes eram presença marcante nos automóveis. Sua configuração consiste

basicamente na substituição das molas de lâmina por molas helicoidais, acrescentando ao

sistema o necessário conjunto de braços de controle (GILLESPIE, 1992). De acordo com

Rezende (2007) uma variação deste sistema apresenta os braços superiores substituídos por

um único braço triangular que exerce a mesma função do sistema original.

A grande vantagem de se utiliza o sistema Four Link em vez do sistema Hotchkiss, é

que no sistema Four Link são utilizadas molas helicoidais para permitir que o sistema

apresente um melhor desempenho sem comprometer a geometria de funcionamento, uma vez

34

que esta é garantida pelo conjunto dos braços de controle. A Figura 11 ilustra um exemplo de

suspensão traseira do tipo Four Link.

Figura 11 – Sistema de suspensão Four Link

Fonte: Gillespie, 1992.

2.4.6.4 De Dion

O sistema de suspensão do tipo De Dion, mostrado na Figura 12, foi projetada para

eliminar os problemas encontrados no sistema de eixo rígido, onde a montagem desse sistema

é bastante parecida com o sistema independente por semi-eixos flutuantes, mas com a

existência de uma barra de ligação entre as duas rodas faz com que este seja um sistema de

suspensão dependente. O sistema apresenta uma diminuição na massa não suspensa, já que

nesse sistema o diferencial, semi-eixos e terminais de direção não estão rigidamente fixados

às rodas.

No sistema Dion as rodas são interconectadas por um tubo telescópio chamado De

Dion que possui uma luva de deslizamento para permitir variações no curso das rodas durante

o movimento da suspensão. O tubo De Dion é responsável por manter as rodas paralelas sob

quaisquer condições, e sempre perpendiculares ao solo, independente da rolagem da

carroceria ou da variação de carga (PEREIRA, 2011).

35

Figura 12 – Sistema de suspensão De Dion

Fonte: Gillespie, 1992.

2.4.7 Suspensões Independentes

Em contraste com o sistema de suspensão dependente, a suspensão independente

permite que cada roda mova-se verticalmente sem afetar a roda oposta. Sendo mais utilizado

no eixo dianteiro de veículos de passageiros, por causa das vantagens de proporcionar um

espaço maior para o motor, por causa de uma facilidade de controle do centro de rolamento

da suspensão, por possuir um grande curso para o movimento das rodas, tem uma grande

rigidez ao rolamento e possuir um valor reduzido da massa não suspensa (GILLESPIE,

1992). Entre os principais sistemas de suspensão desta categoria pode-se destaca os

seguintes: Swing Axles, Trailing Arm, semi Trailing Arm, Multi Link, MacPherson e Short

Long Arm (SLA).

2.4.7.1 Swing Axle

O sistema de suspensão Swing Axle (braços oscilantes), foi inventado por Edmund

Rumpler no inicio do século 20, e este sistema, mostrado na Figura 13, foi muito utilizado

na década de 30 na suspensão traseira de carros europeus, dentre eles o fusca da

Volkswagen. De acordo com Gillespie (1992) o sistema apresenta uma junta

universal montada adjacente ao diferencial, na qual os semi-eixos que conectam as rodas são

montadas para proporcionar o seu movimento de oscilação. Com estas configurações o

36

sistema apresenta todas as vantagens que se pretende obter com um sistema de suspensão

independente. Gillespie (1992) ainda ressaltar que quando uma curva é executada com o

carro em alta velocidade as forças laterais que são desenvolvidas podem provocar um

fenômeno conhecido como “jacking”, que seria a elevação do veiculo no momento da curva.

Este fenômeno traz como conseqüência a perda de aderência em virtude da mudança de

cambagem das rodas. Este problema pode ser resolvido com a utilização de braços

oscilantes mais longos.

Figura 13- Sistema de suspensão Swing Axle

Fonte: Freitas Jr, 2006.

2.4.7.2 Trailing Arm

O sistema de suspensão Trailing Arm, mostrado na Figura 14, também conhecido

como sistema braço de arrasto é um dos mais simples e econômicos projetos de suspensão

dianteira independente usada pela Volkswagen e Porsche por volta da segunda Guerra

Mundial (GILLESPIE, 1992). Este sistema é composto por dois braços de arrasto que são

fixados á carroceria e aos cubos de roda. Geralmente nesse sistema um dos braços é mais

largo que os outros braços de controle empregados em outros sistemas de suspensão, pelo fato

de também dar apoios às molas helicoidais (PEREIRA, 2011).

Segundo Okabe (2003) este tipo de suspensão apresenta o centro de rolagem sempre

posicionado no nível do chão, o que pode ser considerado como uma vantagem, mas inerente

a este tipo de construção também está seu maior defeito: o ângulo camber da roda sempre

acompanhar a inclinação do veículo. Outra desvantagem é a carga excessiva nos rolamentos, e

o momento gerado nos apoios dos braços, o que demanda uma construção bastante robusta,

aumentando o peso, encarecendo o projeto, e reduzindo a eficiência do veículo.

37

Figura 14- Sistema de suspensão Trailing Arm

Fonte: Gillespei, 1992.

2.4.7.3 Semi Trailing Arm

O sistema de suspensão Semi Trailing Arm, mostrado na Figura 15, é uma

combinação das características do sistema Trailing Arm e do sistema Swing Axle. Neste

sistema os braços de controle são montados de forma que seus movimentos descrevam um

arco em relação a eixos, inclinados em torno de 25º em relação a uma linha transversal ao

veiculo (REZENDE, 2007). Este tipo de suspensão apresenta uma inferioridade em termos de

conforto em relação a outros tipos de sistema por causa da quantidade da massa suspensa ter

um valor elevado.

Figura 15- Sistema de suspensão Semi Trailing Arm

Fonte: Pereira, 2011.

38

2.4.7.4 Multi Link

O sistema de suspensão Multi Link, mostrado na Figura 16, é o nome dado a qualquer

suspensão independente que possua um sistema com três ou mais braços de controle. De

acordo com Rezende (2007) a parti desse conceito é possível obter diversos projetos de

suspensão que podem apresentar diferentes configurações de geometria, proporcionando uma

grande flexibilidade de projetos. O sistema é caracterizado por possuir juntas esfericas

conectadas nas extremidades das ligações de modo que elas não experimentam momentos de

flexão. De um modo geral, são necessarios pelo menos quatro braços de ligações para

fornecer um controle longitudinal e lateral das rodas, e reagir aos torques de frenagem

(GILLESPIE, 1992).

Figura 16- Sistema de suspensão Multi Link

Fonte: www.abrazheleno.com.br

2.4.7.5 MacPherson

O sistema de suspensão MacPherson, mostrado na Figura 17, foi desenvolvido pelo

engenheiro americano Earle S. MacPherson da Ford no ano de 1940, sendo introduzido no

mercado pela primeira vez em 1950 nos modelos ingleses da Ford e deste então é o sistema

mais utilizados em praticamente todos os veículos de tração dianteira. Isto se da devido ao seu

baixo custo de montagem e por ser compacto, desse modo oferecendo um maior espaço para

montagem de motores transversais utilizados nos veículos de tração dianteira.

39

O sistema é formado por um amortecedor telescópio, montado geralmente na posição

vertical que, alem de controlar o movimento da suspensão, também trabalha como um braço

de controle para posicionar a roda do veiculo. A extremidade superior do amortecedor é

fixada no chassis por meio de um batente de rolamento e a outra extremidade é fixada no cubo

da roda, sendo ela montada de forma rígida (REZENDE, 2007).

Figura 17- Sistema de suspensão MacPherson

Fonte: Gillespie, 1992.

Segundo Gillespie (1992) o sitema oferece grande vantagem de ocupar pouco espaço,

com isso os motores podem ser motados na posição transversal, sendo amplamente utilizados

em carros com traçao dianteira. Devido à ter suas fixações no chassi ou na carroceria

separados este sistema é bem adaptados a veiculos com carroceria monobloco. O sistema

possui poucas peças e distribui bem as cargas da suspensão. Entre as suas desvantagens

destaca se a altura elevada do conjunto o qual limita a capacidade do designer em diminuir a

altura capô se hover nessecidade.

Segundo Pereira (2011) o sistema destaca-se no mercado pela sua relação custo

beneficio que é considerada muito boa. Altuamente o sistema é utilizado em cerca de 70% das

suspensões dianteiras dos veiculos configurando assim uma boa opção na hora de escolher o

tipo de suspensão a ser usada em um veiculo.

2.4.7.6 Short Long Arm (SLA)

40

O sistema de suspensão Short Long Arm (SLA), também conhecido como dublo-A,

mostrado na Figura 18, é mais utilizado em veículos de competições por ser considerado por

muitos projetista como sendo um sistema ideal de suspensão. Segundo Pereira (2011) isso se

deve ao fato de que esse sistema serve tanto como suspensão traseira ou dianteira, por ser

independente e chegar o mais próximo do possível do ideal em relação ao controle da

cambagem e do ângulo de convergência das rodas. O sistema é constituído por dois braços de

controle em paralelos, onde o braço superior é mais curto do que o braço inferior.

Este sistema possui um excelente desempenho no tocante à estabilidade, ele mantém

as rodas perpendiculares ao solo independentemente do carregamento do veiculo, da atuação

das molas ou da rolagem da carroceria.

Segundo Rezende (2007) este sistema possui um alto nível de desempenho, por conta

de possuir uma geometria onde será gerado um maior ganho de cambagem quando a

suspensão é comprimida, quando comparada aos demais sistemas. Isto acontece porque o

braço superior curto faz com que a parte superior do cubo seja puxada para dentro com maior

intensidade que o braço inferior (mais longo) move a parte inferior também para dentro.

Figura 18 – Sistema de suspensão Short Long Arm (SLA)

Fonte: Gillespie, 1992.

2.5 PRINCIPAIS COMPONENTES ELÁSTICOS E ESTRUTURAIS DE UM SISTEMA DE

SUSPENSÃO

Um sistema de suspensão automotiva é formado por cinco componentes básicos:

sendo dois componentes elásticos (molas e amortecedores) e três componentes estruturais

41

(barra estabilizadora, pinos esféricos e bandeja). A seguir será apresentado uma explicação da

função desses elementos, os tipos existentes e suas características.

2.5.1 Molas

Segundo Rezende (2007) as molas de um sistema de suspensão devem suporta toda a

massa suspensa do veiculo, ou seja, o peso da carroceria, sistema de propulsão e o sistema de

transmissão além do peso dos passageiros. As molas ainda em conjunto com os

amortecedores têm a função de suavizar o movimento vertical devido às irregularidades do

solo, garantindo um maior conforto ao passageiro e uma maior vida ao chassi que recebe os

impactos mais suaves. Elas podem ser molas de compressão, helicoidais ou feixe de molas.

Os materiais usados na construção de molas automotivas podem ser de origem sólida,

líquida ou gasosa. O aço é o principal material empregado na fabricação de molas. As molas

helicoidais são submetidas aos esforços de torção, enquanto que nas do tipo lâminas, os

esforços são de flexão. Atualmente as molas helicoidais são as mais utilizadas em função do

bom desempenho, custo, domínio do processo, facilidade de fixação e pouco espaço utilizado

no grupo da suspensão (DIXON, 1996).

A constante de rigidez de uma mola é uma das suas propriedades que melhor lhe

caracteriza e que muitas vezes é confundida com a sua capacidade de carga, mas a constaste

de rigidez é definida como a quantidade de carga suportada pela mola para comprimi-la de

uma unidade de comprimento. A constante é geralmente expressa em lb/in ou em N/m. de

forma diferente, a carga da mola determina o quanto de força é necessário para comprimi-la

de uma determinada extensão (REZENDE, 2007).

2.5.1.1 Molas Semi-Elipticas

As molas semi-elipticas, mostrada na Figura 19, são molas de laminas disposta

longitudinalmente, sendo amplamente utilizadas em veículos de carga que usam suspensão do

tipo eixo rígido (REZENDE, 2007). Segundo Freitas Jr (2006) as molas semi-elipticas têm

como vantagens: simplicidade de construção, robustez e baixo custo. O autor ainda ressaltar

que a alta rigidez, devida a alta histerese deste tipo de mola quando submetida a vibrações de

pequenas amplitudes e altas frequências, faz com que este tipo de mola tenha uma alta

transmissibilidade neste modo de operação, com consequênte deterioração do conforto.

42

Segundo Gillespie (1992) uma das características deste tipo de mola é a diminuição da

rigidez sob a carga lateral que tem como, consequência, menor estabilidade lateral, quando

são fabricadas mais longas para atingir menor rigidez vertical.

Figura 19- Feixe de molas Semi-Elipticas

Fonte: Freitas Jr, 2006.

Segundo Freitas Jr (2006) outro tipo de mola semi-elipitica é a parabólica, mostrada na

Figura 20, que apresenta como vantagem um menor atrito interno, por causa do número

reduzido de laminas. Ela ainda apresenta uma menor rigidez vertical sem comprometer a

rigidez lateral.

Figura 20- Feixe de molas Semi-Elipticas do tipo parabólica

Fonte: Freitas Jr, 2006.

2.5.1.2 Molas Helicoidais

As molas helicoidais, mostrada na Figura 21, são fabricadas a partir de um arame

sendo ele enrolando na forma helicoidal, este tipo de mola é atualmente a mais utilizada no

setor automobilístico. Segundo Rezende (2007) as molas helicoidais têm como vantagens, em

relação às molas semi-elipticas: o peso reduzido, a necessidade de pequenos espaços para

montagem e a facilidade de manutenção. Além disto, a liberdade de projeto aumenta

significativamente uma vez que a mola deixa de exercer a função de transmitir força entre as

rodas e a carroceria do veiculo. As molas helicoidais normalmente trabalham à compressão e

43

obedecem à lei de Hooke, de tal modo que dentro do limite elástico as deformações são

proporcionais ao esforço aplicado.

Figura 21- Molas Helicoidais

Fonte: Pereira, 2011.

Segundo Máximo (2006) a mola helicoidal pode gerar um comportamento de rigidez

constante ou variável. A rigidez 𝐾𝑠 pode ser calculada através da relação entre o diâmetro do

arame, diâmetro e número de espiras e as características do material. A Equação (1) aplicável

para molas helicoidais retas, mostra a relação para o cálculo da rigidez:

𝐾𝑠 = 𝐺 .𝑑4

8 .𝐷𝑒3 .𝑁𝑒

(1)

onde:

𝐺 = Módulo de cisalhamento do aço (N/mm2)

𝐾𝑠= Rigidez da mola (N/mm)

𝐷𝑒= Diâmetro médio da espira (mm)

𝑁𝑒= Número de espiras ativas

𝑑 = Diâmetro do arame da mola (mm)

44

Uma vez definidas as características da mola, pode-se calcular as deflexões sofridas

em função da carga aplicada. A Equação (2) mostra esta relação.

𝑥𝑚 = 8.𝐹.𝐷𝑒

3 .𝑁𝑒

𝐺 .𝑑4 (2)

onde:

𝑥𝑚 = Deflexão sofrida pela mola (mm)

𝐹 = Magnitude da força (N)

A escolha da rigidez das molas pode mudar em função da missão do veiculo, sendo

basicamente menor quando a mola é utilizada em veiculo de passeio e maior quando se exigir

do veiculo um bom desempenho em manobras, como por exemplo, em veículos off-road.

De acordo com Freitas Jr (2006) a mola helicoidal possuir um histerese desprezível,

sendo que o amortecimento é realizado totalmente pelo amortecedor. Quando o foco é

conforto é este tipo de mola que se dever ser utilizado.

O tipo mais comum e de menor custo de molas helicoidais é a cilíndrica linear, sendo

que os veículos que utilizam este tipo de mola em seu sistema de suspensão têm a sua altura

modificada de acordo com o carregamento e segundo Freitas Jr (2006), a variação de

frequência de ressonância de um sistema de suspensão equipado com este tipo de mola,

também diminui com o carregamento do veiculo.

2.5.1.3 Molas Pneumáticas

As molas pneumáticas, mostrada na Figura 22, ela é do tipo que oferece melhores

características dinâmicas sob variadas condições de carga, por conta disso é atualmente mais

usada em veículos de carga (FREITAS JR, 2006). De acordo com Rezende (2007) a mola

pneumática consiste em um cilindro de borracha onde em seu interior contem ar ou gás que é

comprimido por um pistão montado no braço de controle inferior da suspensão. O pistão pode

45

se mover para cima ou para baixo seguindo o movimento do braço de controle da suspensão,

comprimindo desta forma o ar dentro da câmara e exercendo ação de mola.

Esse tipo de mola possui a grande vantagem de se mudar a rigidez de suspensão do

veiculo de acordo com as irregularidades impostas pela pista, essa mudança de rigidez é feita

através de uma válvula que se encontrar na parte superior do reservatório de ar, que é aberta

para adicionar ou retirar ar da mola, fazendo com que a pressão em seu interior aumente ou

diminua alterando assim sua rigidez.

Figura 22-Molas Pneumática.

Fonte: Rezende, 2011

2.5.2 Amortecedores

Os amortecedores fazem parte do sistema de suspensão e trabalha em conjunto com as

molas, sendo responsável em dissipar a energia introduzida pelas excitações. Sem os

amortecedores, um veículo oscilaria indefinidamente, devido à energia absorvida pelas suas

molas quando excitadas externamente (PEREIRA, 2011).

A energia absorvida pelo amortecedor é dissipada em forma de calor para o ambiente.

Atualmente, nas suspensões automotivas são empregados quase que exclusivamente dois

tipos de amortecedores: os hidráulicos convencionais e os hidráulicos pressurizados.

A base matemática para o comportamento do amortecimento viscoso é a

proporcionalidade entre a velocidade e a força de amortecimento, que é conseguida através de

artifícios construtivos dos componentes internos (BASTOW, 1997 apud MÁXIMO, 2006).

46

Normalmente a razão de amortecimento médio para um veículos de passeio estão entre

0,2 e 0,4. Para carros esportivos ou de competições off-road estão na faixa de 0,4 a 1,0. A

relação básica entre as cargas de compressão e extensão é de 30/70, podendo ainda variar de

acordo com o modelo e o perfil de utilização (GILLESPIE, 1992).

Segundo Rezende (2007) para que os amortecedores trabalhem com 100% de

eficiência eles devem ser montados em uma posição perpendicular em relação à direção da

pista, pois quando montados com inclinação, apenas um componente da força do amortecedor

trabalha no controle dos movimentos da suspensão. Sendo assim procura-se montar os

amortecedores com inclinação pequena. Para ângulos de inclinação acima de 30º, os

amortecedores trabalham de forma ineficiente sobrecarregando os componentes da suspensão.

2.5.2.1 Amortecedor Hidráulico

De acordo com Pereira (2011) os amortecedores hidráulicos, mostrado na Figura 23,

são dispositivos que transformam energia cinética em energia térmica. Quando a haste do

amortecedor se movimenta ela pressuriza o fluido interno, gerando uma força que faz com

que o fluido circule pelos orifícios de restrição causando o seu rápido aquecimento, que em

contato com o cilindro o aquecer e em seguida o cilindro dissipa esse calor para a atmosfera.

Figura 23- Amortecedor Hidráulico

Fonte: Pereira, 2011.

2.5.2.2 Amortecedor Pressurizado

Os amortecedores pressurizados, mostrado na Figura 24, seguem a mesma linha de

funcionamento dos amortecedores hidráulicos, porém possui gás nitrogênio junto do óleo

lubrificante. Esse gás tem a finalidade de diminuir a possibilidade de formação de bolhas no

47

fluido lubrificante quando este é submetido a intensas atividades de compressão e distensão

(REZENDE, 2007).

Segundo Pereira (2011) o amortecedor pressurizado tem a vantagem de ter uma maior

estabilidade e dirigibilidade, porém possuir a desvantagem de ser mais caro que os

amortecedores hidráulicos. São muitos utilizados em vans e carros esportivos.

Figura 24- Amortecedor Pressurizado

Fonte: Pereira, 2011.

2.5.3 Barra Estabilizadora

As barras estabilizadoras ou barras anti-balanço, mostrada na Figura 25, têm como

objetivo evitar que chassi do carro gire em uma curva fechada diminuindo assim o risco de

capotamento, elas também são responsáveis pelo aumento da rigidez torcional do veiculo,

diminuindo assim os esforços sofridos pelo chassi quando este é submetido a terrenos com

muitas irregularidades (PEREIRA, 2011).

Segundo Pereira (2011) a barra estabilizadora pode deixa a suspensão mais macia e,

em consequência, fornecer maior conforto sem comprometer a estabilidade do veiculo nas

curvas. Sem a barra estabilizadora, haveria uma grande pressão nas molas e o sistema de

suspensão sofreria maior esforço. Atualmente a maioria dos veículos utiliza a barra

estabilizadora em seu sistema de suspensão.

48

Figura 25- Barra Estabilizadora

Fonte: Pereira, 2011.

2.5.4 Pinos Esféricos

Os pinos esféricos, mostrado na Figura 26, são pinos articulados que são responsáveis

por prender o cubo da roda à suspensão, fazendo a ligação entres as partes suspensa (chassis e

carrocerias) e as partes não suspensas (cubo da roda, manga de eixo e telescópio). Eles

recebem esforços muitos grandes durante a aceleração, a frenagem e curvas, e, em alguns

casos, também suportam o peso do veiculo (PEREIRA, 2011).

Figura 26- Pinos Esféricos

Fonte: Pereira, 2011.

2.5.5 Bandeja de Suspensão

A bandeja de suspensão, mostrada na Figura 27, permite que a roda tenha uma

articulação na suspensão. Ela apresenta um formato triangular e articula-se em juntas de

metal-borracha chamadas de silent-block, ainda tem a função de controlar o posicionamento

49

das molas e amortecedores. A construção da bandeja de suspensão é formada por uma

estrutura forjada, estampada ou fundida (PEREIRA, 2011).

Figura 27- Bandeja de Suspensão

Fonte: Pereira, 2011.

3 METODOLOGIA

Este trabalho como foi mencionado anteriormente tem como objetivo fazer uma

análise de um modelo de suspensão automotiva, já existente, gerado pelo software NX da

empresa Siemens PLM Software com a utilização de diferentes elementos elásticos (molas e

amortecedores). No modelo de suspensão será analisados dois tipos diferentes de

amortecedores e dois tipos diferentes de mola. Nesta análise o sistema de suspensão será

submetido a vibrações, ocasionadas por uma plataforma de teste automobilístico que também

foi gerado no software NX. Com estes testes, em seguida será traçado e analisados gráficos

que foram gerados pelos dois casos.

3.1 O SOFTWARE NX

De acordo com a Siemens Plm Software (2013) o NX, também conhecido como

Unigraphics NX, é um software que possui uma solução avançada de pacotes

CAD/CAM/CAE para o desenvolvimento de produtos. Abrange toda a gama de

funcionalidades no desenvolvimento de produtos, incluindo:

syncronous technology que permite o uso continuo das abordagens de

modelamento mais produtivas no mesmo ambiente, incluindo o modelamento

explicito de sólidos e superfícies, bem como o modelamento paramétrico e

livre de histórico;

50

Automação baseada em conhecimento que permite aproveitar o

conhecimento do produto e do processo adquirido por sua empresa em

experiências próprias, bem como de praticas recomendadas do setor;

Inovação de processo que permite otimizar e integrar o trabalho diário das

equipes de planejamento, projeto conceitual, engenharia de simulação e

manufatura;

Simulação de ciclo de vida que permite otimizar os processos de simulação,

validação e otimização, além de incorporar a simulação de desempenho no seu

processo de desenvolvimento de produto com mais antecedência e frequência.

O software NX integra princípios baseados no conhecimento de design industrial,

modelagem geométrica, análise avançada, simulação gráfica e engenharia simultânea. O

software tem potentes capacidades de modelagem híbrida, integrando modelagem baseada em

recursos de constrangimento e explícita modelagem geométrica. Além de modelar peças de

geometria normalizadas, ela permite que o utilizador desenhe formas livres complexas

(SIEMENS PLM SOFTWARE, 2013).

O software NX trabalha a partir da construção de mecanismos através da criação de

links no arquivo de simulação a partir da geometria existente e restringindo-se essa geometria

com articulações e controladores de movimento. Depois de definir os objetos de movimento

para o mecanismo o solver irá executar uma simulação cinemática ou estática-dinâmica. O

resultado de análise disponível incluirá verificações de interferências, gráficos, animações, a

produção do filme MPEG e planilha de dados das juntas em instantes diferentes da simulação.

(SIEMENS PLM SOFTWARE, 2013).

3.2 MODELO DA SUSPENSÃO GERADA NO NX

O modelo da suspensão é inspirado no sistema de suspensão Short Long Arm (SLA)

ou Duplo-A utilizado nos carros da marca Chevroret da GM. O modelo do sistema de

suspensão gerado no ambiente NX pode ser mostrado na Figura 28 e é formado pelos

seguintes corpos: braço oscilante inferior, braço de direção, amortecedor estrutural, molas,

braço oscilante superior e manga de eixo.

51

Figura 28 – Modelo da suspensão gerada no NX.

Fonte: Próprio autor (2013).

Para estabelecer as conexões entres os corpos rígidos do sistema de suspensão foram

utilizadas 2 juntas translação com gerador de movimento, 2 juntas de revolução, 4 juntas

esféricas e 2 juntas universal. Na Figura 29 são apresentas as juntas do sistema de suspensão,

que estão numeradas e são descritas na tabela 1.

Figura 29 – Juntas do modelo da suspensão.

Fonte: Próprio autor (2013).

52

Quadro 1 – Descrição das juntas do sistema de suspensão.

1 Junta de translação com gerador de movimento.

2 Junta de revolução.

3 Junta esférica.

4 Junta universal.

Fonte: Próprio autor (2013).

3.3 MODELO DA PLATAFORMA DE TESTE

Com o intuito de se efetuar simulações de deslocamentos verticais, para quer se possa

analisar o sistema de suspensão foi gerado no software NX, mostrada na Figura 30, uma

plataforma de teste automobilístico.

Figura 30 – Plataforma de teste gerada no NX.

Fonte: Próprio autor (2013).

Para quer se fosse efetuado um movimento vertical na plataforma foi preciso utilizar

uma junta de translação com um gerador de movimento, que pode ser vista na Figura 31.

53

Figura 31 – junta utilizada na plataforma de teste.

Fonte: Próprio autor (2013).

4 SIMULAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS

Neste capitulo serão descritas as simulações realizadas pelo software NX no modelo

de suspensão que foi descrita no capitulo anterior e as análises dos resultados das simulações.

Nesta análise a suspensão fará deslocamentos verticais, que serão gerados pela plataforma de

testes, o conjunto suspensão e plataforma de teste podem ser visto na Figura 32. Serão

realizadas duas simulações no modelo de suspensão, onde na primeira simulação a suspensão

será composta por elementos elásticos (amortecedor e mola) usados em carros de passeio e na

segunda simulação a suspensão será composta por elementos elásticos usados em carros de

competições off-road.

54

Figura 32 – Conjunto suspensão e plataforma de teste.

Fonte: Próprio autor (2013).

4.1 ANÁLISE DO MODELO DE SUSPENSÃO UTILIZANDO ELEMENTOS ELÁSTICOS

USADOS EM CARROS DE PASSEIO

Nesta primeira análise a suspensão será submetida a uma variação de curso de 35mm

para cima e 35mm para baixo. No sistema de suspensão será utilizada uma mola com

constante de rigidez 𝐾=36942,49N/m e um coeficiente de amortecimento 𝐶=1734,44N/m/s2.

Estes dados são retirados de um veiculo comercial de passeio.

No Gráfico 1, é mostrado o deslocamento vertical da suspensão em função do tempo.

Com este gráfico pode-se notar que o deslocamento máximo que a suspensão pode alcançar, é

de aproximadamente 32mm para cima ou para baixo.

55

Gráfico 1 – Deslocamento vertical da suspensão utilizando elementos elásticos usados em

carros de passeios.

Fonte: Próprio autor (2013).

No Gráfico 2, é mostrada a força que age sobre a suspensão, ocasionada pela

plataforma de teste. Nota-se que a suspensão atinge uma força de compressão máximo no

instante 1,9 s, que é o mesmo instante em que a suspensão atingir seu máximo pico de

deslocamento vertical, conforme mostra o Gráfico 1.

56

Grafico 2 – Força da suspensão utilizando elementos elásticos de usados em carros de passeio.

Fonte: Próprio autor (2013).

4.2 ANÁLISE DO MODELO DE SUSPENSÃO UTILIZANDO ELEMENTOS ELÁSTICOS

USADOS EM CARROS OFF-ROAD

Nesta segunda etapa o modelo de suspensão será submetido ao mesmo procedimento

de análise, o qual foi mostrado anteriormente. Mas agora o sistema passara ter um novo

conjunto de elementos elásticos. No modelo será utilizada uma mola com constante de rigidez

𝐾=38025 N/m e um coeficiente de amortecimento 𝐶 = 3850 N/m/s2. Estes dados são retirados

de um veiculo de competição off-road.

No Gráfico 3, é mostrado o deslocamento vertical da suspensão em função do tempo.

Pode se notar que no Gráfico 3 o valor de deslocamento máximo da suspensão, que é de

aproximadamente 27mm para cima ou para baixo nota-se que o valor de pico diminui em

relação ao gráfico 1, isso devido a trocar elementos elásticos utilizados na suspensão.

57

Gráfico 3 – Deslocamento vertical da suspensão utilizando elementos elásticos usados em

carros oof-road.

Fonte: Próprio autor (2013).

No Gráfico 4, é mostrada a força que age sobre a suspensão ocasionada pela

plataforma de teste. Pode-se notar que no gráfico 4 a força máxima de compressão que o

sistema de suspensão vai atingir vai ser enorme, em comparação com a máxima compressão

registrada no gráfico 2 vai ser cerca de 2,4KN de força de diferença, isso devido ao fato de

que os elementos elásticos usados em carros off-road possuírem valores maiores de constante

de rigidez da mola e coeficiente de amortecimento do amortecedor. O Gráfico 4 também

mostra que a força máxima compressão que a suspensão vai atingir será no instante 1,9 s,

mesmo instante em que a suspensão atingir seu máximo pico de deslocamento vertical.

58

Gráfico 4 - Força da suspensão utilizando elementos elásticos usados em carros off-road.

Fonte: Próprio autor (2013).

59

5 CONCLUSÃO

Como pode ser visto no trabalho os softwares MBS são indiscutivelmente muito úteis

no processo de desenvolvimento de projetos em engenharia, podendo ser utilizados em

diversas fases do desenvolvimento. A engenharia mecânica utiliza muito esses softwares no

processo de desenvolvimento, desde geração de desenhos de projetos até a simulação de

possíveis produtos mecânicos.

O presente trabalho teve por objetivo analisar uma suspensão automobilista com a

utilização desses softwares MBS. Foram criados cenários de simulação no software o qual

gerou gráficos que foram analisados e discutidos. Todos os fundamentos teóricos para o

desenvolvimento desse trabalho foram apresentados e discutidos.

Em relação a análise que foi feita no sistema de suspensão podemos concluir quando

se procurar um movimento suave na suspensão dever se usar molas com valores baixos de

constante de rigidez e coeficiente de amortecimento, já para se obter uma maior resistência na

suspensão dever se aumenta os valores de constante de rigidez das molas e os coeficientes de

amortecimento dos amortecedores.

Para a realização dessas analises foi usado o software NX que cumpriu de forma eficaz

o seu papel. No software utilizado foi possível apresentar os modelos tridimensionais dos

elementos que fazem parte do sistema de suspensão, o software também realizou simulações

para a obtenção de gráficos para que a análise fosse discutida.

Com isso encerra-se este trabalho tendo tido atingido o objetivo de analisar uma

suspensão automotiva usando ferramentas computacionais.

Como possibilidade de desenvolvimento ou mesmo aprofundamento deste tema, pode-

se desenvolver um trabalho, partindo para o modelamento mais detalhado da suspensão

acoplada ao sistema de direção do veiculo, para que possam ser feitas simulações, utilizando

os softwares multicorpos, e destas simulações analisar o comportamento do sistema de

suspensão no momento em que o veículo faz manobras ou curvas.

60

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