Fernandes,marcelo estudo em sistemas de direção veicular, Manual de Fundamentos de Físicao. Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca (CEFET/RJ)
eden.nunes
eden.nunes5 de Abril de 2015

Fernandes,marcelo estudo em sistemas de direção veicular, Manual de Fundamentos de Físicao. Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca (CEFET/RJ)

PDF (6 MB)
99 páginas
754Número de visitas
Descrição
sistema de direção
20pontos
Pontos de download necessários para baixar
este documento
baixar o documento
Pré-visualização3 páginas / 99
Esta é apenas uma pré-visualização
3 shown on 99 pages
baixar o documento
Esta é apenas uma pré-visualização
3 shown on 99 pages
baixar o documento
Esta é apenas uma pré-visualização
3 shown on 99 pages
baixar o documento
Esta é apenas uma pré-visualização
3 shown on 99 pages
baixar o documento
Microsoft Word - Marcelo Arronilas Fernandes Revisada.doc

MARCELO ARRONILAS FERNANDES

ESTUDOS EM SISTEMAS DE DIREÇÃO VEICULAR

Dissertação apresentada à Escola

Politécnica da Universidade de São Paulo

para obtenção do Título de Mestre

Profissional em Engenharia Automotiva.

São Paulo

2005

MARCELO ARRONILAS FERNANDES

ESTUDOS EM SISTEMAS DE DIREÇÃO VEICULAR

Dissertação apresentada à Escola

Politécnica da Universidade de São Paulo

para obtenção do Título de Mestre

Profissional em Engenharia Automotiva.

Área de Concentração:

Engenharia Automotiva

Orientador:

Professor Doutor

Roberto Spinola Barbosa

São Paulo

2005

FICHA CATALOGRÁFICA

Arronilas Fernandes, Marcelo

Estudo em sistemas de direção veicular / M. Arronilas. -- São Paulo, 2005.

p.

Trabalho de curso (Mestrado Profissionalizante em Engenharia Automotiva). Escola Politécnica da Universidade de São Paulo.

1.Direção veicular (Sistemas) I.Universidade de São Paulo. Escola Politécnica II.t.

DEDICATÓRIA

A Teresa Cristina, minha esposa, com amor, admiração e gratidão por sua compreensão,

carinho, presença e incansável apoio ao longo do árduo período de elaboração deste trabalho.

AGRADECIMENTOS

Ao Prof. Dr. Roberto Spinola Barbosa, pela atenção e apoio durante o processo de definição e

orientação.

Ao Prof. Dr. Celso Pupo Pesce, pela atenção e apoio durante o processo de definição de meu

trabalho.

À TRW, pela oportunidade de realização do curso de mestrado profissional em engenharia

automotiva.

I

SUMÁRIO

SUMÁRIO................................................................................................................................. I

LISTA DE FIGURAS.............................................................................................................. V

LISTA DE TABELAS........................................................................................................... IX

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ............................................................................ X

RESUMO...............................................................................................................................XII

ABSTRACT ........................................................................................................................ XIII

1INTRODUÇÃO ..................................................................................................................1

2REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ..........................................................................................2

2.1SISTEMAS DE DIREÇÃO ............................................................................................2

2.1.1 TIPOS DE SISTEMAS DE DIREÇÃO .........................................................................3

2.1.1.1 SISTEMA DE DIREÇÃO PINHÃO & CREMALHEIRA.........................................3

2.1.1.1.1 SISTEMA DE DIREÇÃO PINHÃO CREMALHEIRA SEM ASSISTÊNCIA ......3

2.1.1.1.2 Sistema de Direção Pinhão Cremalheira com Assistência .......................................8

2.1.1.2 SISTEMA DE DIREÇÃO ROLETE E SEM-FIM....................................................19

2.1.1.3 SISTEMA INTEGRAL DE DIREÇÃO HIDRÁULICA (FIG) ................................20

2.2GEOMETRIA DE ACKERMAN ...........................................................................................23

2.3ERROS DA GEOMETRIA DE DIREÇÃO .............................................................................24

2.3.1 ERRO DE CONVERGÊNCIA ..............................................................................................25

2.3.2 ESTERÇAMENTO POR EFEITO DE ROLAGEM OU ROLL STEER .........................................26

2.4GEOMETRIA DA RODA DIANTEIRA .................................................................................26

2.4.1 PINO MESTRE (″KINGPIN″).............................................................................................26

2.4.2 CASTER .........................................................................................................................28

2.4.3 CAMBER E CONVERGÊCIA .............................................................................................31

2.5FORÇAS E MOMENTOS DO SISTEMA DE DIREÇÃO .........................................................33

2.5.1 FORÇA VERTICAL ..........................................................................................................34

II

2.5.1.1 Ângulo do Pino Mestre (Kingpin) .............................................................................35

2.5.1.2 Ângulo de Caster .......................................................................................................36

2.5.2 FORÇA LATERAL ...........................................................................................................37

2.5.3 FORÇA DE TRAÇÃO ........................................................................................................38

2.5.4 TORQUE DE ALINHAMENTO ...........................................................................................39

2.5.5 RESISTÊNCIA AO ROLAMENTO E MOMENTO DE SOBRE-ROTAÇÃO .................................39

2.6SISTEMA DE DIREÇÃO NA CONDIÇÃO DE MANOBRA DE CURVA .................................39

2.6.1 MANOBRA DE ESTERÇAMENTO COM VEÍCULO ESTÁTICO..............................................40

2.6.1.1 Torque de Esterçamento ............................................................................................40

2.6.2 MANOBRA DE CURVA DINÂMICA ..................................................................................41

2.6.2.1 FORÇAS GERADAS PELA MANOBRA DE CURVA..........................................41

2.6.2.2 Equações de Curva ....................................................................................................42

2.7DINÂMICA DE MÁQUINAS ...............................................................................................47

3METODOLOGIA.............................................................................................................47

3.1MODELAGEM DO SISTEMA DE DIREÇÃO NA CONDIÇÃO ESTÁTICA (SISTEMA

ESTÁTICO) ................................................................................................................................47

3.2MODELAGEM DA GEOMETRIA DO SISTEMA DE DIREÇÃO NA CONDIÇÃO DINÂMICA

(SISTEMA DINÂMICO) ..............................................................................................................48

3.3DELINEAMENTO EXPERIMENTAL PARA A DETERMINAÇÃO DA EFICIÊNCIA DE UM

MECANISMO DE DIREÇÃO HIDRÁULICA PINHÃO&CREMALHEIRA .......................................48

4MODELAGEM.................................................................................................................49

4.1SISTEMA ESTÁTICO.........................................................................................................49

4.1.1 MODELAGEM ATRAVÉS DE EQUACIONAMENTO CINEMÁTICO DO SISTEMA DE DIREÇÃO .49

4.1.2 MODELAGEM ATRAVÉS DE EQUACIONAMENTO CINEMÁTICO DA GEOMETRIA DA

ACKERMAN ...............................................................................................................................50

4.1.3 MODELAGEM ATRAVÉS DE EQUACIONAMENTO DO TORQUE GERADO NOS PNEUS...........52

4.2SISTEMA DINÂMICO ........................................................................................................52

III

4.2.1 MODELAGEM ATRAVÉS DE EQUACIONAMENTO..............................................................52

4.2.2 MODELAGEM EM ADAMS/CHASSIS .............................................................................53

4.2.2.1 SUSPENSÃO TRASEIRA........................................................................................54

4.2.2.2 Suspensão Dianteira ..................................................................................................55

4.2.2.3 Sistema de Direção ....................................................................................................56

4.2.2.4 Executando o Modelo no ADAMS ...........................................................................58

5SIMULAÇÃO E RESULTADOS ...................................................................................59

5.1SISTEMA ESTÁTICO.........................................................................................................59

5.1.1 DETERMINAÇÃO DA FUNÇÃO DE TRANSFERÊNCIA ENTRE O VOLANTE E AS RODAS DO

VEÍCULO ATRAVÉS DE SIMULAÇÃO NO ADAMS/CHASSIS .........................................................59

5.1.2 COMPARAÇÃO DO EQUACIONAMENTO CINEMÁTICO SIMPLIFICADO E DETALHADO PARA

CÁLCULO DA GEOMETRIA DE ACKERMAN ..................................................................................61

5.1.3 CÁLCULO DO EQUACIONAMENTO DO TORQUE GERADO NOS PNEUS ............................63

5.2SISTEMA DINÂMICO ........................................................................................................63

5.2.1 SIMULAÇÃO ATRAVÉS DE EQUACIONAMENTO DO VEÍCULO (MANOBRA DE CURVA COM

RAIO CONSTANTE DE 15 M REFERENCIADO AO CG DO VEÍCULO) ...............................................63

5.2.2 SIMULAÇÃO ATRAVÉS DO ADAMS DO VEÍCULO REALIZANDO MANOBRA DE CURVA COM

RAIO CONSTANTE DE 15 M REFERENCIADO AO CG DO VEÍCULO PARA ESQUERDA .....................65

6DELINEAMENTO EXPERIMENTAL E RESULTADOS .........................................68

7ANÁLISE DOS RESULTADOS.....................................................................................72

7.1SISTEMA ESTÁTICO.........................................................................................................72

7.1.1 DETERMINAÇÃO DA FUNÇÃO DE TRANSFERÊNCIA ENTRE O VOLANTE E AS RODAS DO

VEÍCULO ATRAVÉS DE SIMULAÇÃO NO ADAMS UTILIZANDO OS DADOS DO FIAT PALIO [13] .72

7.1.2 COMPARAÇÃO DOS EQUACIONAMENTOS CINEMÁTICOS SIMPLIFICADO POR GILLESPIE [4]

E O MODELO DO AUTOR PARA CÁLCULO DA GEOMETRIA DE ACKERMAN UTILIZANDO OS

DADOS DO FIAT PALIO [13] ......................................................................................................72

7.2SISTEMA DINÂMICO ........................................................................................................73

7.3EFICIÊNCIA DO SISTEMA DE DIREÇÃO ...........................................................................75

IV

8CONCLUSÃO...................................................................................................................78

9ATIVIDADES FUTURAS ...............................................................................................80

10LISTA DE REFERÊNCIAS..........................................................................................81

V

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Sistema de suspensão e direção completo [7].......................................................... 4

Figura 2. Sistema de suspensão do Ford Fiesta [7] ................................................................. 4

Figura 3. Vista explodida de um mecanismo manual [7] ........................................................ 4

Figura 4. Componentes do mecanismo de direção manual [7] ............................................... 5

Figura 5. Mecanismo manual cortado na região de engrenamento [7] ................................... 6

Figura 6. Engrenamento Pinhão & Cremalheira [7]................................................................ 6

Figura 7. Corte ilustrando o engrenamento Pinhão & Cremalheira [7] .................................. 6

Figura 8. Mecanismo em corte na região da bucha da cremalheira [7]................................... 7

Figura 9. Mecanismo em corte na região da bucha da cremalheira [7]................................... 7

Figura 10. Mecanismo em corte na região do Yoke [7] .......................................................... 8

Figura 11. Sistema de direção hidraulicamente assistido [7] .................................................. 8

Figura 12. Mecanismo de direção hidráulica [7]..................................................................... 9

Figura 13. Mecanismo de direção hidráulica em vista explodida [7]...................................... 9

Figura 14. Vista em corte da região do pistão [7] ................................................................. 11

Figura 15. Válvula do mecanismo de direção em neutro [7] ................................................... 12

Figura 16. Válvula do mecanismo de direção esterçando para esquerda [7] ........................ 12

Figura 17. Válvula do mecanismo de direção esterçando para direita [7] ............................ 13

Figura 18. Esquema do sistema de direção EPHS [7] ........................................................... 14

Figura 19. Sistema de direção EPHS [7] ............................................................................... 15

Figura 20. Montagem do sistema de direção EPHS em quadro de suspensão [7] ................ 15

Figura 21. Esquema do sistema de coluna elétrica EPAS [7] ............................................... 16

Figura 22. Sistema EPAS montado com volante [7]............................................................. 17

Figura 23. Sistema de direção EPAS completo [7] ............................................................... 17

Figura 24. Vista em corte do EPAS [7]................................................................................. 18

Figura 25. Sistema de direção Rack Drive [7] ...................................................................... 18

VI

Figura 26. Sistema de direção Pinion Drive [7] .................................................................... 19

Figura 27. Vista em corte de um mecanismo Rolete & Sem-Fim (Crouse [6])....................... 20

Figura 28. Vista explodida de um mecanismo rolete & Sem-Fim (Crouse [6]).................... 20

Figura 29. Vista translúcida de um FIG [7]........................................................................... 21

Figura 30. Vista em corte de dois mecanismos do tipo FIG [7]............................................ 21

Figura 31. Vista translúcida de um FIG montado com braço pitman [7].............................. 22

Figura 32. Desenho 3D de um mecanismo tipo FIG sem braço pitman [7] .......................... 22

Figura 33. Configuração da geometria de Ackerman (Gillespie [4]).................................... 23

Figura 34. Geometria Trapezoidal (Gillespie [4])................................................................. 24

Figura 35. Esquema da suspensão esquerda (Gillespie [4])..................................................... 25

Figura 36. Esquema da suspensão esquerda (Gillespie [4])..................................................... 25

Figura 37. Esquema da suspensão esquerda (Gillespie [4])..................................................... 26

Figura 38. Ilustração do ângulo do Pino Mestre (Crouse [6]).................................................. 27

Figura 39. Simulação do efeito do ângulo de Pino Mestre (Gillespie [4])............................ 28

Figura 40. Variação da altura do disco quando rotacionado (Crouse [6])............................. 28

Figura 41. Roda dianteira esquerda (Vista do assento do motorista) com Caster positivo

(Crouse [6]) ...................................................................................................................... 29

Figura 42. Caster negativo, onde a roda se posiciona na direção em que a mesa é empurrada

(Crouse [6]) ...................................................................................................................... 29

Figura 43. Roda esquerda com Caster positivo em curva para direita (Crouse [6]) ............. 30

Figura 44. Roda direita com Caster positivo em curva para direita (Crouse [6]) .................... 31

Figura 45. Vista superior da suspensão dianteira de um veículo (Crouse [6])...................... 31

Figura 46. Efeito do ponto de intersecção abaixo e acima da pista (Crouse [6])..................... 32

Figura 47. Sistema de eixos das forças e momentos no pneu (Gillespie [4])........................ 33

Figura 48. Forças e momentos reagindo na roda direita (Gillespie [4])................................ 34

Figura 49. Momento gerado pela força vertical devido ao âng. Pino Mestre (Gillespie [4]) .. 35

Figura 50. Torques de esterçamento devido ao ângulo do Pino Mestre (Gillespie [4])........... 36

VII

Figura 51. Momento gerado pelo ângulo de Caster (Gillespie [4])....................................... 36

Figura 52. Torques de esterçamento devido ao ângulo de Caster (Gillespie [4]) ................. 37

Figura 53. Momento gerado pela força lateral (Gillespie [4]) ................................................. 38

Figura 54. Momento gerado pela força de tração (Gillespie [4]) .......................................... 38

Figura 55. Propriedades da força gerada pela curva no pneu (Gillespie [4]) ........................ 41

Figura 56. Variáveis que afetam a rigidez de curva do pneu (Gillespie [4])......................... 42

Figura 57. Diagrama de corpo livre....................................................................................... 43

Figura 58. Modelo da bicicleta na condição de curva (Gillespie [4]) ................................... 44

Figura 59. Esquema de coordenadas esféricas (Mabie [14])................................................. 47

Figura 60. Desenho em AutoCAD da geometria de direção ................................................. 49

Figura 61. Modelo simplificado da geometria de direção ..................................................... 49

Figura 62. Esquema da geometria de Ackerman................................................................... 51

Figura 63. Esquema retirado do ADAMS da Suspensão traseira.......................................... 54

Figura 64. Esquema da suspensão dianteira Macpherson ..................................................... 55

Figura 65. Esquema do sistema de direção pinhão e cremalheira......................................... 57

Figura 66. Modelo gerado no ADAMS a partir das coordenadas do veículo em estudo ...... 58

Figura 67. Gráfico gerado pelo ADAMS de ângulos de esterçamento do volante e da roda

esquerda. ........................................................................................................................... 59

Figura 68. Gráfico gerado pelo ADAMS de ângulos de esterçamento do volante e da roda

direita..... ........................................................................................................................... 60

Figura 69. Gráfico do ângulo da roda esquerda v.s. ângulo teórico de Ackerman ............... 60

Figura 70. Gráfico do ângulo da roda direita v.s. ângulo teórico de Ackerman ................... 61

Figura 71. Gráfico do erro gerado no raio de curva entre o equacionamento aproximado e o

detalhado para o cálculo do esterçamento segundo a Geometria de Ackerman da roda

interna... ............................................................................................................................ 62

Figura 72. Gráfico do erro gerado no raio de curva entre o equacionamento aproximado e o

detalhado para o cálculo do esterçamento segundo a Geometria de Ackerman da roda

externa.. ............................................................................................................................ 63

VIII

Figura 73. Gráfico do modelo bicicleta dos ângulos de deriva (Raio 15 m)......................... 64

Figura 74. Gráfico da força lateral em função da aceleração lateral ..................................... 64

Figura 75. História temporal da aceleração lateral para o raio constante de 15 m................ 65

Figura 76. História temporal do ângulo do volante para o veículo Palio descrever uma curva

com raio de 15 m com 0,4 g de aceleração lateral............................................................ 66

Figura 77. Gráfico gerado pelo ADAMS dos ângulos de deriva traseiro e dianteiro para raio

de 15 m e aceleração lateral de 0,4 g................................................................................ 66

Figura 78. História temporal das forças laterais nos 4 pneus do veículo para raio de 15 m e

aceleração lateral de 0,4 g ................................................................................................ 67

Figura 79. História temporal das forças verticais durante a manobra de raio de 15 m e 0,4 g 67

Figura 80. Amostra montada na bancada IST ....................................................................... 68

Figura 81. Amostra montada na bancada IST ....................................................................... 68

Figura 82. Dois transdutores de pressão................................................................................ 68

Figura 83. Notebook e Software Labview............................................................................. 68

Figura 84. Controlador de Temperatura ................................................................................ 69

Figura 85. Pórticos de Pressão............................................................................................... 69

Figura 86. Unidade Hidráulica .............................................................................................. 69

Figura 87. Esquema de um mecanismo de direção hidráulica .............................................. 70

Figura 88. Software de Controle e Aquisição Instron Schenck............................................. 70

Figura 89. Gráfico das aquisições realizadas na bancada Instron Schenck........................... 71

Figura 90. Gráfico da aquisição de pressão das câmaras do mecanismo .............................. 71

IX

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Componentes do mecanismo de direção manual [7].............................................. 5

Tabela 2 - Componentes da Figura 4 [7] ................................................................................. 5

Tabela 3 - Componentes do mecanismo de direção hidráulica [7] ....................................... 10

Tabela 4 - Componentes do sistema de direção EPHS [7].................................................... 14

Tabela 5 - Variáveis do veículo FIAT Palio [13] .................................................................. 51

Tabela 6 - Carga da roda dianteira esquerda e pressão do veículo FIAT Palio..................... 52

Tabela 7 - Dados de carga dos eixos dianteiros e traseiros e suas respectivas rigidezes de

curva....... .......................................................................................................................... 53

Tabela 8 - Descrição dos pontos da geometria traseira ......................................................... 54

Tabela 9 - Descrição das coordenadas dos pontos da geometria traseira.............................. 55

Tabela 10 - Descrição dos pontos da geometria dianteira..................................................... 56

Tabela 11 - Descrição das coordenadas dos pontos da geometria dianteira.......................... 56

Tabela 12 - Descrição dos pontos do sistema de direção ...................................................... 57

Tabela 13 - Descrição das coordenadas dos pontos do sistema de direção........................... 57

Tabela 14 - Ângulos de esterçamento da roda externa para raios de curva de 12, 15 e 20 m

............................................................................................................................61

Tabela 15 - Ângulos de esterçamento da roda interna para raios de curva de 12, 15 e 20 m62

Tabela 16 - Distribuição das forças laterais no instante 4 segundos ..................................... 73

Tabela 17 - Distribuição das forças verticais no instante 4 segundos ................................... 74

Tabela 18 - Distribuição das forças laterais no modelo da bicicleta ..................................... 74

Tabela 19 - Distribuição das forças verticais no modelo da bicicleta ................................... 74

Tabela 20 - Valores resultantes da aquisição de dados ......................................................... 75

X

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

EPAS – Electric Power Assisted System (Sistema assistido eletricamente)

EPHS – Electric Power Hydralic System (Sistema hidráulico eletricamente assistido)

FIG – Fully Integral Gear (Mecanismo integral de direção hidráulica)

OBJ – Outer Ball Joint (Terminal articulado externo ou tirante externo)

IBJ – Inner Ball Joint (Terminal articulado interno ou tirante interno)

HPS – Hydraulic Power System (Mecanismo de direção hidráulica)

ECU – Unidade eletrônica de controle

3D – Tridimensional

SAE – Society of Automotive Engineers

IST – Instron

g – gravidade

XI

LISTA DE SÍMBOLOS

° – graus

rad – radianos

N – Newton

kgf – quilograma força

lb – libra

m – metros

m2 – metro quadrado

km – quilômetro

mm – milímetro

ft – pés

h – hora

s – segundos

°C – graus Celsius

g – m/s2

XII

RESUMO

Este trabalho busca o entendimento da funcionalidade do sistema de direção veicular. Com

este intuito, foi realizado, para a condição estática do veículo de estudo FIAT Palio [13], o

modelo geométrico do sistema de direção utilizando formulações matemáticas simplificadas

extraídas do Gillespie [4]. Esta formulação foi detalhada por este Autor e seus resultados

foram comparados, visando determinar as variações geradas. Para a condição dinâmica,

também foram utilizadas as formulações do Gillespie [4] para a determinação das

propriedades de inscrição em curva do veículo FIAT Palio [13]. A mesma condição foi

avaliada utilizando o modelo completo do sistema de direção do mesmo veículo,

desenvolvido no software de simulação ADAMS/Chassis. Através dos cálculos e simulações

em ADAMS, foi obtida a função de transferência do volante do veículo para as rodas

dianteiras esquerda e direita e a correlação do ângulo do volante para inscrição em curva de

raio constante. Também determinaram-se as características de eficiência e consumo de

energia do mecanismo de direção hidráulica aplicado na família Palio, onde através de um

delineamento experimental em bancada de testes de durabilidade, determinaram-se as

grandezas físicas que possibilitaram estes cálculos.

XIII

ABSTRACT

This work searches the knowledge of vehicular steering system functionality. Aiming to

acquire this knowledge, a steering system of FIAT Palio [13] geometric model was built by

applying simplified equation extracted from Gillespie [4]. This equation was detailed by this

Author and the results were compared, aiming to define the results variations. For the

dynamic condition, the Gillespie’s equation [4] was applied to determine the curve

inscription. The same condition was evaluated by simulating the complete model of FIAT

Palio steering system [13] in ADAMS/Chassis software. The transferring function of the

steering wheel angle and the wheels were determined by the calculations and simulations of

ADAMS. Through the ADAMS, it was correlated the steering wheel angle with the curve

inscription of a constant radio.

It was also determined the efficiency and energy consumption characteristics of the Palio

family hydraulic steering gear by experimental evaluation on wear test bench.

1

1 INTRODUÇÃO

O sistema de direção veicular é o componente que transforma a necessidade direcional que o

condutor do veículo identifica em realidade. Esta realidade pode ser atingida de diferentes

formas no que tange ao nível de esforço, ângulo do volante, sensibilidade da pista pelo

condutor e comportamentos distintos em função da velocidade do veículo.

O trabalho visa explorar os comportamentos dos sistemas de direção nas condições estática e

dinâmica. Tomou-se como referência à geometria de um veículo FIAT Palio [13], onde

cálculos e simulações serão delineados para ambas condições. O referido veículo é composto

por um sistema de direção pinhão e cremalheira, suspensão dianteira MacPherson e traseira

com braços oscilantes. O delineamento matemático do sistema de direção na condição

dinâmica, conforme Gillespie [4], foi demonstrado e verificado seus resultados de forma

comparativa através de software de simulação ADAMS. Na condição estática, foram

realizadas análises comparativas do modelo matemático proposto pelo Gillespie [4], com a

formulação detalhada por este Autor no que tange a aplicações em elevados ângulos de

esterçamento. Verificou-se também o desempenho da geometria de direção do veículo em

estudo, com relação a geometria de Ackerman, através do software de simulação

ADAMS/Chassis.

Foi também abordado, através de um delineamento experimental, a característica de eficiência

e consumo de energia de um mecanismo de direção hidráulica pinhão e cremalheira aplicado

na família de veículos FIAT Palio.

2

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 SISTEMAS DE DIREÇÃO

Conforme Gillespie [4], o sistema de direção dos veículos automotores possui grande

importância no comportamento estático e dinâmico. A função do sistema de direção é gerar

ângulos nas rodas dianteiras e/ou traseiras em resposta às necessidades impostas pelo

condutor para que haja o controle do veículo. Contudo, os ângulos de esterçamento efetivos

são modificados pela geometria do sistema de suspensão, direção e condições de

tracionamento para os veículos de tração dianteira. Já Bastow [3], salienta a importância do

sistema de direção no que tange a aceitar as irregularidades verticais impostas pelas pistas das

quais perturbações são freqüentes. Do mesmo modo, para as irregularidades das pistas na

direção horizontal, o sistema de direção deve absorvê-las sem que haja distúrbios direcionais.

No projeto de um sistema de direção, um dos maiores desafios é o compromisso da isolação

dos choques gerados pelas pistas, sem que haja o bloqueio da sensibilidade da pista o que

prejudicaria a perfeita condução do veículo. Outro importante compromisso é o baixo esforço

ao “esterçar” em manobras de estacionamento ou baixa velocidade e manter os esforços

suficientes para proporcionar a sensibilidade do condutor nas manobras em médias e altas

velocidades.

Segundo Dixon [5], o volante do veículo foi implementado por Benz e quase universalmente

utilizado em 1900. Testes realizados em sistemas de controle verificaram que o volante é a

melhor maneira de se combinar grandes e rápidos movimentos com fina precisão. O Autor

também afirma a importância do sistema de direção que se conecta com as rodas gerando a

relação apropriada de engrenamento, como também o atendimento das restrições geométricas

e erros da geometria que serão abordados neste texto. Além dos esforços com baixo nível sem

prejudicar a condução em alta velocidade, tem-se a eficiência reversa como sendo o fator

filtro para a transmissão dos distúrbios e aspereza das pistas para o condutor que não pode ser

em demasia elevado, pois se perderia a sensibilidade do estado de atrito proporcionado pela

pista. O Autor também salienta a dependência de outros fatores que determinam o

direcionamento efetivo do veículo, onde se pode citar o ângulo de convergência, as variações

da posição da suspensão em detrimento dos efeitos de pitch (efeito onde se observa a retração

da suspensão dianteira e expansão da traseira ou vice versa) e roll ou rolagem (efeito

semelhante ao picth com a diferença de se aplicar às rodas direita e esquerda), as folgas e

características elásticas das uniões assim como as folgas e elasticidade da coluna de direção.

3

2.1.1 TIPOS DE SISTEMAS DE DIREÇÃO

Comumente os sistemas de direção são divididos em três famílias: Sistema Pinhão &

Cremalheira, Sistema Integral de Direção Hidráulica e Sistema de Rolete e Sem-Fim.

O volante é conectado ao mecanismo de direção através do sistema de coluna de direção que é

composto de eixos, mancais, juntas universais e isoladores de ruído e vibrações em algumas

aplicações. Através desta conexão, o mecanismo de direção é acionado e transforma o

movimento de rotação do volante em ângulos de esterçamento das rodas. A transformação do

ângulo do volante para o ângulo nas rodas é realizada de maneiras diferenciadas a partir das

três concepções de sistemas de direção anteriormente mencionadas como descrito a seguir:

2.1.1.1 SISTEMA DE DIREÇÃO PINHÃO & CREMALHEIRA

O mecanismo de direção normalmente é fixado na carroceria ou na suspensão, podendo estar

localizado à frente ou atrás das rodas. Através do engrenamento pinhão e cremalheira, o

movimento de rotação do volante que resulta no mesmo movimento de rotação do pinhão é

transformado em movimento de translação da cremalheira. Em cada extremidade da

cremalheira, existem barras laterais biarticuladas que tem a função de promover a união da

cremalheira com as mangas de eixo. Portanto o movimento de translação da cremalheira

aciona as mangas de eixo que geram os ângulos de esterçamento das rodas esquerda e direita,

onde as mangas de eixo descrevem um arco em torno do eixo de esterçamento da roda ou pino

mestre. Esta concepção é largamente empregada em veículos de passeio e comerciais leves. Já

existem protótipos para comerciais médios, mas ainda estão em desenvolvimento.

2.1.1.1.1 SISTEMA DE DIREÇÃO PINHÃO CREMALHEIRA SEM ASSISTÊNCIA

A característica deste sistema é a redução do torque no volante necessário para girar as rodas

do veículo apenas pela redução de engrenamento e geometria do sistema. A Figura 1 ilustra

um sistema de direção e suspensão dianteiro de um veículo de passeio. A Figura 2 ilustra um

mecanismo de direção mecânico (ou manual) montado no conjunto suspensão.

4

Figura 1. Sistema de suspensão e direção completo [7]

Figura 2. Sistema de suspensão do Ford Fiesta [7]

As Figuras 3 e 4 e as Tabelas 1 e 2 ilustram o mecanismo de direção em uma vista explodida,

onde se podem verificar todos os componentes que o constitui.

Figura 3. Vista explodida de um mecanismo manual [7]

5

Tabela 1 - Componentes do mecanismo de direção manual [7]

01. Carcaça 11. Tirante Interno

02. Rolamento ou Bucha 12. Anel “O”

03. Bucha da cremalheira 13. Sanfona de Vedação

04. Cremalheira 14. Abraçadeira Maior

05. Conjunto Pinhão 15. Abraçadeira Menor

06. Tampão do Pinhão 16. Silent Block

07. Vedador do Pinhão 17. Porca do Tirante Externo

08. Yoke 18. Tirante Externo

09. Mola 19. Tirante Externo

10. Tampa do Yoke

Figura 4. Componentes do mecanismo de direção manual [7]

Tabela 2 - Componentes da Figura 4 [7]

12 PARAFUSO HEX. M8x1,25x20 11 CONJ. TAMPA E PAR. DE AJUSTE 10 ARRUELA ELÁSTICA 9 CONJ. TAMPA E PAR. DE AJUSTE 8 ANEL "O" TAMPA G. DE APOIO 7 CONJUNTO GARFO DE APOIO 6 VEDADOR 5 TAMPA DO PINHÃO 4 CONJUNTO DO PINHÃO

6

As Figuras 5 a 7 apresentam os detalhes do engrenamento pinhão e cremalheira. O veículo

possui a característica de torques no volante da ordem de 12 a 16 N.m em manobra de

esterçamento com o veículo estático, conforme determina a geometria da suspensão e do

sistema de direção. Como exemplo têm-se a relação de engrenamento de 32:1 utilizada na

família Palio e a relação de 34:1 aplicada no Uno. O torque necessário apenas para deslocar os

mecanismos de direção de batente a batente é da ordem de 1,5 a 2,2 Nm, com o número de

revoluções de 3,7 a 3,8 conforme modelo.

Figura 5. Mecanismo manual cortado na região de engrenamento [7]

Figura 6. Engrenamento Pinhão & Cremalheira [7]

Figura 7. Corte ilustrando o engrenamento Pinhão & Cremalheira [7]

7

As Figuras 8 a 10 ilustram com detalhes os componentes internos de um mecanismo de

direção manual. As Figuras 8 e 9 ilustram a bucha da cremalheira, que é o mancal oposto ao

do engrenamento, podendo ser construída de material plástico (polímeros), metálicos com

banho de material anti-atrito (Teflon), material sinterizado entre outros.

Figura 8. Mecanismo em corte na região da bucha da cremalheira [7]

Figura 9. Mecanismo em corte na região da bucha da cremalheira [7]

A Figura 10 ilustra a região de regulagem do sistema de Yoke do mecanismo de direção que através de uma mola que proporciona contato contínuo do Yoke sobre a cremalheira e através do tampão superior a regulagem da folga. A folga em questão se faz necessária para compensar as variações dimensionais dos componentes do mecanismo de direção.

A bucha da cremalheira

funciona como mancal da

cremalheira absorvendo

impactos e evitando ruído

comentários (0)
Até o momento nenhum comentário
Seja o primeiro a comentar!
Esta é apenas uma pré-visualização
3 shown on 99 pages
baixar o documento