Análise dos esforços verticais atuantes na suspensão de um veículo Baja SAE
Cauã Arthur Wachholz, Jeferson Luís Geusemin,
Paulo Augusto Soliman, Rafael Luciano Dalcin
Faculdade Horizontina (Fahor)
RESUMO
O presente estudo tem por objetivo analisar os esforços verticais (com o auxílio de extensômetros e simulação computacional) sobre as bandejas da suspensão do veículo mini Baja Sinuelo Fahor. Para conhecer os pontos críticos e determinar as posições estratégicas para fixação dos extensômetros, inicialmente foi projetado o chassi do veículo e, posteriormente, realizado a simulação numérica no software Ansys. Após a medição dos esforços na suspensão do veículo foi feita uma nova simulação utilizando como base os valores medidos experimentalmente pelos de extensômetros. Com a validação física, destacou-se que as forças utilizadas na simulação numérica estavam subestimadas para o projeto. Portanto, com os testes realizados na pista da equipe Sinuelo, foi possível encontrar picos de forças verticais de aproximadamente 1,5 vezes maiores que os esforços utilizados no projeto.
INTRODUÇÃO
O projeto Baja SAE foi criado inicialmente nos Estados Unidos com o objetivo de desafiar os estudantes de Engenharia a desenvolverem o protótipo de um veículo off-road. Atualmente, aqui no Brasil, o protótipo é desenvolvido dentro dos padrões estabelecidos pelas normas da SAE BRASIL. Neste contexto, o projeto contempla as etapas de modelamento do carro, construção do “Baja” e testes do veículo off-road e, posteriormente, os alunos são desafiados a participar de competições regionais e nacionais. Durante as competições, além do enduro de resistência e apresentação do projeto, são realizadas provas de conforto, tração, velocidade, aceleração e suspension and traction.
A equipe Sinuelo busca o desenvolvimento dos componentes do veículo alinhado à tecnologia CAE, realizando análises de elementos finitos (FEA) para a aprovação estrutural dos itens. No entanto, para que seja possível realizar análises com qualidade e eficácia, é necessário entender os esforços e cargas que o protótipo recebe durante seus percursos e obstáculos. Com o avanço da tecnologia, surgiram novas formas de validar os esforços em projetos. Um dos meios mais comuns é a utilização de extensômetros. Os medidores de deformação, chamados de extensômetros, são dispositivos que medem pequenas deformações em peças produzindo variações em seu sinal elétrico nas mesmas proporções.
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ENTREVISTA
Para Franceschi (2014), a suspensão é um dos principais subsistemas de um veículo atuando para isolar a estrutura e os passageiros das vibrações geradas devido às irregularidades existentes na pista e atenuar a transmissão dos esforços decorrentes de manobras. Franceschi (2014) ainda define que a principal função da suspensão é maximizar o contato entre os pneus e a superfície. Neste contexto, a equipe Sinuelo Fahor definiu a bandeja da suspensão traseira como ponto crítico a ser instrumentado e avaliado. O objetivo da análise é entender os esforços verticais que o carro recebe através da reação do solo sobre os pneus do veículo para que, através dos dados coletados, seja possível realizar dimensionamentos e análises com os valores reais dos esforços encontrados durante os obstáculos. De acordo com Minozzo (2012) apud Blundell e Harty (2011), os esforços presentes na suspensão são derivados do contato entre pneu e solo, os quais podem ser divididos em três componentes ortogonais:
A simulação numérica em projetos estruturais utiliza métodos de cálculos para analisar a resistência do material com determinados esforços. A definição dos esforços pode ser com comprovação física, com base em outros estudos ou apenas esforços estimados. Portanto, a definição dos esforços é de suma importância para comprovar e validar as análises estruturais sobre um determinado conjunto. Segundo Hoffmann (1989), a maneira de avaliar as peças estruturais é com base na resistência dos itens apresentada em cálculos estruturais. No entanto, Hoffmann (1989) comenta que isso só é possível quando as cargas são conhecidas qualitativamente e quantitativamente, para isso, utiliza-se extensômetros.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
No presente estudo, primeiramente realizou-se uma análise de elementos finitos (FEA) com o intuito de definir a geometria da bandeja e a posição dos extensômetros. Após a identificação dos picos de tensão, foram fixados os extensômetros nos pontos críticos da bandeja do veículo. A calibração dos extensômetros foi realizada em uma bancada, a qual fixou-se todas as bandejas, deixando somente a bandeja com o sensor sem nenhuma fixação, apenas a articulação nas buchas do chassi. Aplicou-se cargas verticais com pesos padrões a fim de relacionar a carga aplicada com a variação dos dados do sensor. Após a instrumentação do veículo, o protótipo foi para à pista e submetido aos obstáculos, Figura 1, criados para simulações os esforços em condições similares às encontradas nas competições da SAE.
Figura 1. Análise da bandeja durante os obstáculos na pista da Equipe Sinuelo FAHOR
Fonte: Autores (2021).
Os testes foram realizados considerando alguns obstáculos criados com base nas competições que os integrantes já participaram, por exemplo: saltos, “costeletas”, valas, depressões, paredões, entre outros desafios propostos na pista. As depressões na pista foram feitas com aproximadamente 0,3 m de profundidade, já os saltos propostos foram divididos em tamanhos diferentes, saltos em sequência de 0,5 m e salto individual de 1,5 m. Após a coleta de dados foram realizadas simulações computacionais no software Ansys, disponibilizado em parceria com o grupo Engineering Simulation and Scientific Software (ESSS). O estudo teve um total de 14291 nós e 10744 elementos. A Figura 2(a) representa a malha da análise, enquanto a Figura 2(b) apresenta os parâmetros utilizados na análise. Para o estudo, utilizou-se o comando “Remote Displacement” nas buchas da suspensão e aplicou-se força no sentido vertical, no cubo de roda. Para os valores de força utilizado na análise, realizou-se uma média dos esforços da Tabela 1. Os dados da Tabela 1 foram obtidos através de experimentos prévios realizados pela equipe Baja SAE da Cal Poly, dos Estados Unidos.
Figura 2. (a) Malha da análise; (b) Diagrama da análise
Fonte: Autores (2021).
Tabela 1. Esforços atuantes na suspensão do veículo Baja SAE da Cal Poly
Fonte: Adaptado de Get Loaded (2015).
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Após a análise na suspensão traseira apresentada na Figuras 3(a, b), percebe-se um pico de tensão próximo à chapa de fixação do amortecedor. Os valores encontrados nesta região avermelhada para uma força vertical de 7700 N, conforme já apresentado na Figura 2b, permaneceram em média nos 450 MPa, ultrapassando os 550 MPa em algumas regiões. O valor de deslocamento nesta região foi de 4,5 mm. A Figura 4(a) mostra o extensômetro fixado na bandeja na posição onde ocorreu os picos de tensão nas Figuras 3(a, b), enquanto a Figura 4(b) apresenta a bancada utilizada na calibração.
Figura 3. (a) Análise da bandeja; (b) Pico de tensão
Fonte: Autores (2021).
Figura 4. (a) Análise da bandeja; (b) Pico de tensão
Fonte: Autores (2021).
Após a aplicação dos pesos sobre a bandeja traseira, encontrou-se uma variação de 2250 pontos para cada kg aplicado. Essa definição foi importante para o preparo dos valores e a transformação dos dados encontrados pelos extensômetros em valores na unidade de força (N). A partir dos dados coletados foram construídos os gráficos apresentados nas Figuras 5(a, b).
Figura 5. (a) Teste X; (b) Teste Y
Fonte: Autores (2021).
Percebe-se que o “Ponto 0 Inicial” é a média dos 10 primeiros valores, Figura 5 (a). Para o “Ponto 0 Final” repete-se a mesma análise do inicial, porém, com últimos 10 números do gráfico. Já a média é a soma e, após, divisão dos dois valores encontrados. A relação “Pontos-Massa” é o valor encontrado através da calibração, neste estudo 2250 pontos. É possível verificar nas Figuras 5 (a, b) que a maioria dos esforços permanece na média de 4000 N, chegando a picos de tensão de 8229,85 N para o teste X e de 11386,10 N para o teste Y. A força vertical utilizada na análise de elementos finitos da equipe durante o desenvolvimento da bandeja foi de 7700 N, Figura 3 (a, b), pois foi o valor encontrado no maior pico de tensão com a instrumentação foi 48% maior, uma diferença considerável para o resultado das análises.
CONCLUSÃO
Os resultados obtidos revelam que os esforços verticais sofridos pela bandeja na pista construída pela equipe foram mais elevados que a força utilizada no dimensionamento da bandeja. A análise foi de suma importância para quantificar os valores utilizados para os próximos dimensionamentos, fazendo com que a equipe tenha uma base de dados para realizar as próximas simulações.
Os valores de esforços obtidos experimentalmente aumentaram em aproximadamente 50% em relação aos da simulação computacional. Portanto, com uma base de dados qualificada, é possível simular os itens com uma maior assertividade nos esforços, evitando retrabalhos e problemas estruturais no projeto.
Para trabalhos futuros, a equipe pretende realizar análises e estudos em obstáculos específicos e coletar os esforços nos 3 eixos, x, y, e z, com o intuito de aumentar a base de dados.
REFERÊNCIAS
1. ANSYS, “ANSYS Fluent Theory Guide”, Canonsburg, 2013.
2. GRANTE, Grupo de Análise e Projeto Mecânico. Apostila de Extensometria. Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC. Florianópolis, Santa Catarina, 2004.
3. FRANCESCHI, J. Modelagem matemática da dinâmica funcional de uma Suspensão veicular dianteira do tipo “duplo A”. Monografia para Graduação em Engenharia Mecânica - Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões, Erechim, 2014.
4. HOFFMANN, Karl. “An introduction to measurents using Strain Gages.” Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, Darmstadt. 1989.
5. MINOZZO, Rodrigo. Aquisição de forças dinâmicas atuantes na suspensão dianteira de um veículo protótipo Baja SAE. Porto Alegre – RS, 2012.
6. NEPAE, UNESP, Núcleo de ensino e pesquisa da alvenaria estrutural. Apostila de extensometria básica. Ilha Solteira – SP, 2004.
7. Team Get Loaded SAE Baja. “SAE Baja Dynamic Loading Final Project Report”. 2015.
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