quarta-feira, 16 de agosto de 2017

Projeto - Cinemática de Suspensão


Aaron Chung
Caros leitores, esta postagem discorre sobre parte de uma metodologia de projeto de geometria de suspensão. As postagens da série sobre dinâmica introduziram as definições e parâmetros de projeto, e esta postagem aqui retoma-os de um outro ponto de vista, utilizando-os para um objetivo final prático. O mecanismo de suspensão tem função estrutural, cinemática e dinâmica. Os ângulos comumente debatidos por aí, cambagem, caster e convergência, têm bastante influência no desgaste dos pneus, mas a grande contribuição do mecanismo para a dinâmica do carro está na localização dos centros instantâneos de rotação, sendo o mais famoso deles o centro de rolagem. É bastante corriqueiro entusiastas e preparadores irem atrás de receitas de suspensão, com a sabedoria do senso comum nos dizendo para deixar o carro mais baixo e com cambagem negativa. No entanto, é extremamente raro alguém que tenha conhecimento para definir uma geometria correta para um carro rebaixado, seja para as ruas ou para as pistas, e mais raro ainda é alguém que possua conhecimento para criar um mecanismo de suspensão do zero, a partir de uma folha em branco. Nesta postagem vamos deixar um pouco de lado a dinâmica (que será discutida em uma futura postagem) e focar mais na cinemática do mecanismo.

O QUE SABER DE ANTEMÃO

Ferrari
Para começar a rascunhar os ângulos é necessário conhecer a bitola do carro, o entre-eixos, os pneus e rodas a serem utilizados, e é interessante saber que características o carro terá, por exemplo, se terá direção assistida, a distribuição de carga prevista, espaço para as bandejas, enfim, algumas das características construtivas do veículo. Cabe dizer que o projeto de uma suspensão não é um processo com passos bem definidos, sendo comum reavaliar o projeto desde o início conforme obstáculos e restrições de projeto são encontrados. Na imagem acima fica claro o porquê é necessário saber o pneu que será utilizado, o tipo de roda e o espaço disponível para as bandejas. Vou projetar como exemplo um mecanismo de suspensão para um carro dois lugares, 820 kg, 57% de carga no eixo traseiro, 1450 mm de bitola e 172 N/mm de rigidez de pneu. Tirei esses valores de um projeto real que fiz, mas que acabou não vendo a luz do dia. Os pneus são 205/55 R16, a carga nos pneus dianteiros é de 1730 N, o que nos dá uma deformação vertical de 10 mm aproximadamente. A roda é de perfil 8J, o que nos dá um diâmetro interno mínimo de 370 mm aproximadamente, localizado a 135 mm da borda interior da roda. O espaço que as bandejas podem ocupar é de 350 mm a partir do centro da roda.

UM ESBOÇO DO MECANISMO

Com as informações descritas no tópico acima podemos iniciar o projeto. Cabe lembrar que esta é uma maneira, e não a única, de se projetar uma suspensão. Com o espaço disponível definido, podemos começar a traçar as variáveis de interesse. Particularmente, prefiro começar pela vista frontal, definindo a altura do centro de rolagem e traçando linhas até o diâmetro mínimo da roda. A seguir, o eixo de esterçamento, ou eixo do pino-mestre, é desenhado, e aí já temos praticamente os pontos de fixação das bandejas na manga de eixo.

Lucas Vidal
Os braços superiores precisam ser menores do que os inferiores para recuperar um pouco de cambagem no movimento da suspensão. Na imagem acima eles estão com cerca de 90% do comprimento dos braços inferiores. Passando para a vista lateral, é definido o ângulo de caster, que deve ser suficiente para prover ganho de cambagem durante o esterçamento, pois o ângulo do eixo de esterçamento causa cambagem positiva. Nesta etapa já definimos as coordenadas dos pontos de articulação das bandejas e das mangas de eixo.

Lucas Vidal
O que falta para termos todos os pontos de articulação da suspensão são as coordenadas das fixações ao chassis. Projetando os pontos já definidos em uma vista superior podemos estabelecer qual vai ser a abertura dos braços da bandeja, o que é chamado em inglês de spread. Quanto maior essa abertura, mais fácil é dissipar os esforços oriundos da reação às forças dinâmicas. No entanto, o espaço é limitado pelos outros sistemas do veículo.

Lucas Vidal
Com todas as coordenadas dos pontos de articulação da suspensão definidas é possível avaliar a introdução de algum grau de anti-mergulho/anti-elevação. O próximo passo é avaliar a geometria de direção, se estivermos projetando o eixo de esterçamento, ou a posição do braço para controle de convergência se for um eixo não esterçante. Neste exemplo o eixo é esterçante, então definiremos o grau de Ackerman desejado e a posição da barra de direção. No livro Race Car Design, do Derek Seward, há um tópico explicando como determinar uma geometria de Ackerman próxima da ideal, e foi a metodologia empregada aqui neste exemplo. Junto com as projeções dos eixos de esterçamento e fixação do chassis, a altura da barra de direção foi determinada. Para evitar esterçamento induzido seus pontos de articulação foram alinhados ao centro instantâneo de rotação do mecanismo de suspensão.

Lucas Vidal

VALIDAÇÃO DO MECANISMO

O esboço do mecanismo serve como um ponto de partida, mas é necessário analisar a variação dos ângulos conforme a suspensão trabalha. É possível fazer isso desenhando as diferentes posições em que o mecanismo pode se encontrar, mas é substancialmente mais rápido utilizar um software que calcula as posições em tempo real, assim, é possível chegar em ângulos condizentes com a proposta e com o espaço disponível sem muito esforço. O software Lotus Suspension Analysis foi utilizado para validar o esboço neste exemplo.

Lucas Vidal
O LSA é um programa com alguns modos de trabalho, nesta postagem só o modo Shark foi utilizado para verificar a cinemática da suspensão. Três tipos de movimento podem ser simulados, roll, bump e steer. Na imagem acima os gráficos retratam o comportamento no modo bump, que é o movimento vertical das rodas. Como é possível observar, o esboço traçado no SolidWorks é um ponto de partida interessante, com uma curva de cambagem boa, ótimo controle do esterçamento induzido e geometria de direção próxima da de Ackerman ideal. A altura do centro de rolagem está 5,5 mm mais baixa pelos cálculos do programa, mas não é de se preocupar, pois o que é importante é a variação das grandezas neste momento. Isso esclarecido, embora os ângulos se comportem como o esperado, o centro de rolagem se movimenta demais conforme a suspensão trabalha. Quando o modo roll é analisado, novamente os ângulos se comportam da maneira esperada, mas o centro de rolagem continua se movimentando demais.

Lucas Vidal
Após algumas mudanças na posição dos pontos de fixação das bandejas ao chassis, uma geometria mais favorável em termos de mudança do centro de rolagem foi encontrada. No entanto, há mais esterçamento induzido do que nos estágios iniciais. Este processo poderia continuar até encontrarmos uma posição que satisfizesse mais critérios de projeto, mas como se trata de um exemplo, os valores encontrados são suficientes. Estes novos pontos de articulação da suspensão podem ser reinseridos no SolidWorks (ou outro programa de CAD), e assim a geometria do chassis pode começar a ser esboçada em cima dos pontos da suspensão e das outras limitações de projeto.

CONCLUSÃO

Arjandeiro
A ideia desta postagem foi apresentar o início de um projeto de suspensão, definindo parâmetros básicos de geometria e validando o mecanismo através de um software específico para a aplicação. Este, na minha opinião, é o segundo passo do projeto de um carro, sendo o primeiro a concepção das dimensões e uma estimativa da posição do centro de gravidade. Como foi exposto ao longo da postagem não é  a única maneira de se iniciar o projeto, mas é um jeito rápido e fácil de esboçar algo que, salvo problemas de packaging, pode ser muito próximo à geometria final de suspensão. A definição do centro de rolagem, apesar de ser completamente cinemática, tem influência direta na dinâmica do carro, e pode ser uma das causas de retrabalho conforme a dinâmica for sendo desenvolvida. Alguns parâmetros que podem ser importantes, como geometria anti-mergulho/anti-elevação, não foram tão aprofundadas neste tópico, pois em futuras postagens serão detalhadas. Se chegaram até aqui, agradeço a leitura e até a próxima postagem!
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sábado, 8 de julho de 2017

Engenharia de Pista - Estudo de Caso

Rodrigo Ruiz
Caros leitores, esta postagem vai discorrer sobre a minha primeira experiência como engenheiro em um ambiente de corridas. No mês de maio de 2017 fiz parte da academia técnica da Fórmula Inter. O projeto original deles era criar um curso em parceria com a Bosch, utilizando a estrutura do Centro de Treinamento em Campinas para as aulas e as etapas da Fórmula Inter para a experiência em pista. No entanto, o curso foi cancelado por causa de uma reforma no Centro, ou pelo menos essa foi a justificativa. Era um curso bastante completo e interessante, e o preço acompanhava. Eu tinha me inscrito, mas confesso que não sei como iria pagar. Enfim, cancelaram o curso e não se falou mais nada até abril, quando decidiram pegar um tópico da grade, aquisição e interpretação de dados, e fazer um curso gratuito para estudantes de engenharia mecânica sobre ele. Mesmo já tendo me formado, decidi me inscrever, e, para a minha surpresa, fui chamado para a segunda turma de um total de três.

AQUISIÇÃO E INTERPRETAÇÃO DE DADOS

Quem gosta de acompanhar o lado mais técnico do automobilismo com certeza já ouviu a palavra telemetria. Telemetria é a aquisição de dados em tempo real. Aquisição de dados é exatamente o que as palavras significam. Dados, ou informações, são coletadas por diversos sensores posicionados no carro para uma análise mais precisa do que está acontecendo no momento da sua utilização. Somente a aquisição de dados não resolve e nem soma nada, a não ser aos custos, à performance do carro. É necessário observar o carro na pista, interpretar os dados e, juntamente com o feedback do piloto, verificar as causas de um possível problema, ou definir que caminho traçar com o desenvolvimento do carro, por exemplo.

Lucas Vidal
Acima há um exemplo de arquivo de dados, aberto no programa de análise de dados da Pro Tune, chamado de Analyzer. O autódromo em que foram gravadas as informações foi o de Tarumã, no Rio Grande do Sul, e na tela é possível ver dois canais de informação, o de velocidade e o de rotação do motor, além de um mapa do circuito abaixo e à direita na imagem. A grande maioria dos carros de corrida semi-profissionais acaba coletando informações dos sensores que já estão presentes no carro, como por exemplo o TPS e o de pressão de óleo do motor. Isso acontece pois equipar o carro com outros sensores, por exemplo uma célula de carga no amortecedor ou um sensor de pressão do ar em uma asa, é mais caro e não é visto como um investimento pela equipe, visto que ter a informação somente pelo fato de possui-la, sem utilizar aquilo para a construção de um caminho até um objetivo final, é gastar dinheiro a toa, e muitas vezes a equipe não possui conhecimento para utilizar aquela informação, ou não pode utilizá-la por regulamento. Antigamente, um datalogger, como são chamados esses dispositivos que armazenam a informação dos sensores, era simplesmente um módulo eletrônico pequeno. Hoje, a grande maioria dos dataloggers é incorporado à painéis eletrônicos, e são chamados dashloggers. No caso do curso da Fórmula Inter, a maioria dos carros eram equipados com dashloggers Pro Tune TDL 3.2", e alguns outros com o TDL 4.3", como na foto abaixo. Em ambos os casos, eles registravam informações dos sensores do motor e de um acelerômetro presente no próprio dashlogger.
Pro Tune

O CURSO DA FÓRMULA INTER

O curso sobre aquisição e interpretação de dados da Fórmula Inter foi ministrado pelo Cezar Tadau, aluno da FEI que deve se formar logo menos e que está no projeto da Fórmula Inter desde o início da história toda. Foram dois finais de semana de curso. No primeiro final de semana houve uma aula teórica no sábado, onde ele apresentou o programa e um mínimo do que é aquisição de dados. Além disso, ele deu as diretrizes para o próximo final de semana, e sobre o que nós podíamos e não podíamos fazer com os dados. Por exemplo, eu não posso divulgar os dados aqui, não posso compartilhar os arquivos e nem postar imagens dos gráficos referentes à etapa em que fiz o curso. Não assinamos nenhum termo de confidencialidade, mas por questão de ética não o farei. No entanto, mais a frente na postagem vou discorrer sobre o que aconteceu com o carro pelo qual estava responsável, quais foram as consequências e o que eu tirei desses acontecimentos. No final de semana de corrida chegamos no autódromo às seis horas da manhã na sexta-feira. Não fizemos grande coisa até logo antes das oito e pouco, horário do primeiro treino livre. Dividimos os carros entre os participantes do curso e eu acabei ficando responsável pelo carro do Alexandre Galassi, da foto abaixo.

Fórmula Inter
A rotina do engenheiro de pista na Fórmula Inter era a seguinte: Limpar o carro, checar sensores vitais do motor, conferir freios, embreagem, calibragem do pneu, combustível, calibrar o acelerômetro, amarrar o piloto, fazer o warm up do carro e ajudar no que estivesse acontecendo ao redor antes dos treinos. Após os treinos, deveríamos puxar os dados do dashlogger e interpretá-los com base no que vimos do carro e ouvimos do piloto. Segundo o Tadau, nós, os engenheiros de pista, receberíamos uma folha, uma espécie de checklist, na qual deveríamos reportar os acontecimentos dos treinos e a situação dos carros pré-pista. Para esse primeiro treino não recebemos nada, e eu não poderia ter ficado mais perdido. Esqueci das coisas que eram minha responsabilidade, consegui checar os sensores vitais, amarrar o piloto e checar a pressão dos pneus junto com um dos mecânicos, mas o resto da lista passou batido. Para o segundo treino, tratei de ficar mais esperto, prestar atenção nos locais das ferramentas e principalmente de ficar ligado no relógio.

Motonline
A sexta-feira estava chuvosa e bastante fria. No primeiro treino, o carro #06, do qual eu era o engenheiro responsável, encostou com o piloto dizendo que o carro não estava rendendo nas retas, por faltar pouco tempo ele decidiu entrar para os boxes e esperar o segundo treino. Puxei os dados, comparamos com outro carro e segundo o chefe dos mecânicos e o próprio Tadau, não tinha nada de errado com o motor. Passei isso ao piloto e preparei o carro para o segundo treino, desta vez conforme o checklist mandava, sem deixar nenhum item de fora. O carro #06 saiu para o segundo treino e de longe, ali dos boxes mesmo, pudemos ver na subida do laranjinha uma faixa de óleo na pista molhada, como na imagem acima. O piloto entrou para os boxes por que ele percebeu que a temperatura estava 15° mais baixa do que deveria estar. Quando ele encostou nos boxes, colocamos um pedaço de papelão na entrada de ar para subir um pouco a temperatura, e ali vi que tinha bastante óleo na parte de cima do difusor dele, mas achamos que era de outro carro. Ele ficou na pista quase até o final do treino, quando encostou novamente e vimos que ele tinha encharcado o carro que vinha atrás de óleo, além dele mesmo. Quando levantamos o carro percebemos que tinha um vazamento muito grande na lateral traseira esquerda. Os mecânicos desmontaram aquela parte do carro e viram que um sensor de pressão de óleo tinha quebrado, com o vazamento se iniciando ali. Tiraram o sensor do circuito, reconectaram as mangueiras, montaram o carro de novo e deixaram-no pronto para a classificação, que ocorreria no sábado. Cabe lembrar aqui que eram dois sensores de óleo, um para a injeção Pro Tune PR440 e outro para o dashlogger. Fiquei sem informação de pressão de óleo, mas a injeção continuava recebendo as informações e funcionando normalmente. Na foto abaixo é possível ver o carro #06 no momento em que os mecânicos checavam o vazamento.

Fórmula Inter
Enquanto os mecânicos terminavam de colocar o motor de volta no carro, aproveitei para puxar os dados do dashlogger. Não havia dados para auxiliar o piloto em um acerto ou talvez indicar onde ele poderia ganhar algum tempo, a única coisa útil que os dados nos forneciam era o momento exato em que o sensor de óleo parou de funcionar. O motor foi colocado no carro, ligado e testado. Parecia tudo dentro dos conformes, já era umas seis da tarde, e eu fiquei mais um pouquinho ali mas logo depois fui embora, acredito que umas sete e pouco. No sábado, a classificação estava marcada para 14h30 se não me engano, e o pessoal pediu pra chegarmos lá às oito da manhã. Eu me atrasei e acabei chegando lá 9h30. De quando cheguei até umas 11h30 não fizemos muita coisa. Se não há um problema, o box é um lugar bem calmo. Perto das 13h30 eu já tinha conferido todos os parâmetros no checklist duas vezes, e fiquei esperando a largada do treino classificatório. Pedi para o piloto ficar mais tempo na pista para termos mais dados para analisar, ele concordou e ficou quase até o final do treino. A classificação foi rápida, e o carro #06 tomou 4 segundos do pole. Várias vezes vi o piloto travando a roda no esse depois do laranjinha, e quando ele encostou o carro me disse que estava com o balanço de freio todo para trás e ainda assim travava roda em curvas para a direita. Antes que eu pudesse chegar a qualquer conclusão, o Artur Bragantini, um dos coachs, ou técnicos, da categoria, cravou o problema, a carga em cada roda não estava bem distribuída. Dito e feito. Depois de alguma discussão, o Sr. José Minelli, construtor de carros de corrida de longa data e parte do corpo técnico da categoria, decidiu colocar o carro #06 na balança para verificar a carga em cada canto, como pode ser observado na imagem abaixo.

Lucas Vidal
O carro fez dois treinos livres e um treino classificatório com uma diferença de 40 kg entre o lado esquerdo e o lado direito. Em curvas para a direita, por conta das transferências de carga, a roda dianteira direita ficava com menos carga ainda, e quando se tentava frear, ela era bloqueada. Além disso, na traseira ocorria o contrário, a roda direita era a que estava com maior carga, o que deixava o carro bastante ruim de guiar. Isso ficou evidente no treino classificatório pois o tempo já estava seco. Nos dois treinos livres, por causa da chuva, as transferências de carga foram amenizadas, e no meio de todo o vazamento de óleo, o piloto pode não ter percebido esse comportamento estranho do carro. Enquanto o carro tinha suas cargas equilibradas, aproveitei para puxar os dados da classificação e analisar junto com o piloto. Até aqui, os problemas encontrados no carro #06 poderiam ter sido resolvidos sem nenhum tipo de aquisição de dados, somente com a experiência. No entanto, conversando com o piloto, me lembrando do que tinha visto na pista e analisando os dados, conseguimos verificar, em vários pontos da pista, situações em que o piloto estava dando o máximo dele, mas o carro estava aquém do limite de projeto. Em curvas para a direita ficava evidente que  a falta de equilíbrio prejudicava demais a performance. Um exemplo disso, na subida para o laranjinha, com o acelerador aberto ao máximo, o carro #06 era 15 km/h mais lento do que os ponteiros. Outro exemplo, na saída da curva do sol, o carro #06 chegava a estar 5 km/h mais rápido do que os ponteiros, e chegava no final da reta oposta 7 km/h mais lento.

Fórmula Inter
O exemplo do laranjinha deixa claro que o problema tinha a ver com o desequilíbrio das cargas, pois é uma curva. O da reta oposta não. Em uma reta não há transferências de carga laterais, somente longitudinais, então o desequilíbrio não deveria ser um problema tão grande para, em carros iguais, dar 12 km/h de diferença de velocidade. No momento em que juntei essas informações, fui atrás do Tadau para ver se poderia ser alguma coisa no motor do carro #06. Analisamos os gráficos juntos e ele disse que poderia ser alguma coisa pequena, mencionando que os dois motores desenvolviam as rotações da mesma maneira na maioria das situações, a não ser na reta oposta. Os mecânicos desmontaram algumas partes do motor, checaram as peças, transmissão e não encontraram nada. Eu não tinha ideia também do que poderia estar errado no motor, então comecei a pensar o que poderia estar entre o motor e as rodas que poderia sofrer com o desequilíbrio e causar uma perda de performance. Olhando para a caixa de câmbio me lembrei que o diferencial poderia causar alguma coisa parecida, principalmente se fosse aberto. Fui atrás do Tadau, expliquei o que estava pensando, ele disse que achava que não tinha a ver com o diferencial, mas pediu pra eu procurar o Sr. José Minelli, por que ele não se lembrava se o diferencial era aberto ou de deslizamento limitado. Seu Minelli me disse que era diferencial de carro de rua, aberto, e que ele não sabia se tinha influência ou não neste caso. O carro #06 já estava equilibrado e pronto para dormir, assim, decidi ir para casa pois o cansaço já era grande e minha dúvida não ia ser esclarecida naquele dia. No domingo, fiz e refiz o checklist e esperei a corrida começar. Na foto acima, estou arrumando os cintos do carro pela quarta ou quinta vez, acredito. A corrida começou, o carro #06 parecia bem melhor, mais equilibrado e o piloto estava confiante o suficiente para fazer uma prova interessante, arriscando ultrapassagens e tudo. No entanto, a pista estava úmida e eu não pude ficar com os logs (arquivos de dados) da corrida. Assim, não tive como sanar minha dúvida ali, não consegui ver como foi o desempenho na subida do laranjinha e na reta oposta. Até tentei tirar alguma coisa do piloto, mas ele disse que não sentiu muita diferença do carro dos treinos para o carro da corrida. Acabei voltando para casa logo depois que a corrida acabou, e assim se encerrou o curso.

Fórmula Inter


DIFERENCIAL E CAPACIDADE DE TRAÇÃO

Como escrevi no tópico anterior, para mim, além de algum pequeno problema no motor, a capacidade de tração do carro estava comprometida por causa do diferencial aberto e do desequilíbrio de cargas nos pneus. Como não tive acesso aos dados da corrida, fiquei com a dúvida se o meu raciocínio tinha algum sentido. Antes de explicar este raciocínio, proponho aos que têm alguma dúvida sobre como diferenciais funcionam de lerem esta postagem do FlatOut.

Wikiwand
No carro da Fórmula Inter, o torque é dividido igualmente para as duas rodas, pois as engrenagens planetárias têm o mesmo tamanho, o mesmo número de dentes e o diferencial é aberto. A força que o pneu pode transmitir ao solo, e consequentemente, movimentar o carro, é este torque dividido pelo raio do pneu. Acontece que esta força, oriunda do torque do motor, só vai movimentar o carro enquanto o pneu conseguir transmitir isso ao solo por meio da aderência. Esta força de aderência, ou atrito, é proporcional à força vertical agindo no pneu. Quanto maior for essa força vertical, maior será a força de atrito. No caso do carro #06, o pneu traseiro esquerdo era o pneu com menos força vertical (lembram dos 40 kg de diferença?), assim, se o torque enviado às duas rodas é igual, o pneu do lado esquerdo destracionaria antes do pneu do lado direito, o que poderia causar uma perda de performance, pois quando o pneu derrapa o carro não é movimentado para a frente tudo o que poderia ser, e a tendência é que o piloto segure o acelerador para que o carro pare de destracionar e vá para a frente. Em outras palavras, o pneu esquerdo limitaria o conjunto. Isso foi o que eu pensei quando olhei para a caixa de câmbio e aquela diferença de velocidade do carro #06 para os ponteiros na reta oposta. O que eu não pensei na hora, e o que nem o Tadau e nem o Seu Minelli perceberam, é que a resposta para a minha pergunta estava no próprio conceito inicial da minha suposição. Esse desequilíbrio nas cargas verticais só afetaria a performance se o torque do motor fosse o suficiente para extrapolar o limite de aderência. Não tenho a curva de torque do motor do F-Inter MG-15, que é um Ford Duratec 2L. No entanto, tenho uma curva de torque de um Formula Ford genérico, que tem uma preparação muito parecida com a do MG-15, e níveis de potência e torque similares. Abaixo é possível ver esta curva de torque.

OptimumG

No início da reta oposta, o carro #06 estava a aproximadamente 153 km/h, e seu motor estava por volta das 5450 rpm. O tamanho dos pneus traseiros utilizados na categoria são 265-540 VR13, o que nos dá um raio de 0,270 m, e uma relação de transmissão próxima de 3,63:1 do motor para as rodas. Supondo que a curva de torque seja a mesma do Fórmula Ford genérico, estariam chegando às rodas 689 Nm de torque. Dividindo isso pelo diferencial e pelo raio do pneu, temos 1276 N de força agindo no contato do pneu com o asfalto. Supondo que a distribuição de peso seja de 45%-55% e supondo que o peso do carro com o piloto e combustível seja de 590 kg, teríamos 1592 N em cada pneu traseiro. O pneu utilizado é um Pirelli P Zero de composto duro, podemos assumir um valor de coeficiente de atrito de 1,1, o que nos daria uma capacidade de tração de 1751 N por pneu. Além da carga estática, teríamos a transferência de carga devido à aceleração e também a carga aerodinâmica, o que só fariam aumentar a capacidade de tração. Os valores são aproximações e várias suposições foram feitas, mas podemos perceber que a capacidade de tração é maior do que a capacidade do motor fornecer torque, o que acaba respondendo minha pergunta, o diferencial, neste caso, não influenciou em nada na performance, e havia sim algo de errado com o motor do carro #06. Extrapolando um pouco a análise, 40 kg são 392 N em termos de força, mesmo subtraindo isto dos 1751 N de capacidade normal de tração, ainda teríamos 83 N de aderência, novamente, sem contar com a transferência de carga e a carga aerodinâmica, que só fariam esse número crescer. Se tivéssemos um pneu pior, por exemplo um pneu de rua com 0,8 de coeficiente de atrito, esses 40 kg de diferença se fariam muito mais importantes e poderiam ocasionar a perda de performance que tinha pensado, especialmente se não houvessem aparatos aerodinâmicos. Um último comentário sobre esta ideia que tive, quando a pista estava úmida, o coeficiente de atrito dos pneus de chuva pode ter baixado um pouco, e talvez algo parecido com o que descrevi poderia acontecer, mas o piloto não se queixou de nada, e um destracionamento por desequilíbrio das cargas poderia muito bem ter sido disfarçado pelo problema de óleo na pista.

A OPERAÇÃO DE PISTA NA FÓRMULA INTER


Fórmula Inter
Escrevi há um tempo atrás uma análise do carro utilizado na Fórmula Inter. Naquela postagem, comento que a categoria é uma das mais organizadas do automobilismo nacional. Se considerarmos somente o campeonato paulista, ela é, de longe, a mais profissional e organizada. Depois deste curso e de ter visto as coisas do lado de dentro, continuo achando a mesma coisa. No entanto, vi muita coisa que consideraria uma oportunidade de melhoria. O projeto da categoria não veio do nada, a família Galassi teve uma experiência na Road To Indy, e aqui no Brasil com a F1600, antes de resolverem fazer as coisas por conta própria. Em questão de administração, marketing e publicidade, é um negócio bem feito, bem pensado e bem executado. O Marcos Galassi sabe que domina essas áreas bem, assim, para as áreas que não domina, chamou gente que faz um bom trabalho, como o Seu Minelli, o Artur Bragantini, Luciano Zangirolami, o próprio Tadau e o Edu, que é chefe dos mecânicos. O que eu vi que pode ser melhorado e dar menos dor de cabeça para todos, além de causar menos em termos de estresse e noites mal dormidas, é na parte de organização dos mecânicos e preparação dos carros.

Rodrigo Ruiz
Não é uma questão de falta de conhecimento técnico ou de falta de experiência, é realmente só uma questão de organização. Os mecânicos não tinham um checklist como nós tínhamos, e a cada sessão cada um fazia uma tarefa diferente. Novamente, todos os mecânicos estavam realmente dando o sangue e tinham conhecimento do que estavam fazendo, mas as coisas poderiam ser melhores se fossem mais automatizadas. Por exemplo, eu organizaria a equipe de modo que um mecânico seria responsável somente por um carro, realizando juntamente com o engenheiro todos os preparativos necessários. Se o número de mecânicos fosse insuficiente para isso, pegaria um grupo de mecânicos e deixaria cada um responsável somente por uma tarefa, no máximo duas, em todos os carros. Por exemplo, um mecânico seria responsável por sangrar os freios e embreagem, e o outro seria responsável pela calibração dos pneus. Acredito que definir as tarefas e não mudá-las de treino para treino acabaria deixando os mecânicos mais focados e rápidos. Além dessa divisão dos mecânicos, manteria uma equipe de dois ou três mecânicos para tarefas emergenciais, como por exemplo, encontrar um vazamento de óleo e corrigi-lo. Para finalizar o assunto da operação de pista, acredito que uma preparação mais extensa dos carros seja necessária para uma boa prova e para que os pilotos tenham sempre o melhor equipamento possível em mãos. O balanceamento das cargas em cada roda deveria ser feito antes de toda sessão de pista, junto com os outros parâmetros do checklist. Eu também faria, ou conferiria, o alinhamento das rodas antes de toda sessão. No momento atual, os carros saem com um acerto padrão para todos os pilotos, mas no futuro a tendência é que cada carro saia com seu acerto próprio, então a divisão que mencionei acima, de um mecânico por carro, se fará mais necessária ainda, e tudo isso deverá ser registrado em folhas ou arquivos eletrônicos para que não se perca esses dados e para que o desenvolvimento de cada carro possa ser sólido e não meramente um golpe de sorte.

CONCLUSÃO


Fórmula Inter
O curso em si não tinha muita bagagem teórica e não me acrescentou muito conhecimento sobre como um carro de corridas funciona, não havia mistério no assunto do curso. O que eu não sabia, consegui aprender e relacionar com o que já sabia de maneira rápida. O que eu gostei, e muito, foi de ter tido a oportunidade de analisar as coisas do lado de dentro, e de verificar possíveis soluções para problemas reais, sair um pouco da teoria. O que me atrai nos carros de corrida é a questão do desenvolvimento, do projeto, de ver as coisas sendo postas à prova e de tentar entender aquilo do ponto de vista da engenharia, como aconteceu com a ideia do diferencial descrita na postagem. Não fiz parte do desenvolvimento do carro, mas estudei-o a fundo, descobri que o que é importante no projeto não foi feito aqui, mas foi copiado de uma boa base, e que de certa maneira, todos os anos estudando engenharia e quebrando a cabeça para entender a enorme quantidade de variáveis que compõem um projeto automobilístico não pode simplesmente ser substituída por sucessões de tentativa e erro ao longo de 20, ou 30 anos.

Rodrigo Ruiz

Além da questão técnica, confirmei o que já vinha sentindo e observando em outras experiências que tive na vida, não é possível ser somente um especialista, não dá pra ter somente um conhecimento técnico grande, e não ter organização, disciplina e liderança. Na minha opinião, falta organização no chão do box, na operação de pista. Pode parecer besteira ou menos importante do que o conhecimento técnico, mas, como já escrevi aqui antes, o que faz alguém, ou um empreendimento ser bem sucedido, é o melhor uso dos recursos disponíveis, e não sou só eu que digo isso, Claude Rouelle também, para citar um cara do meio. É isso aí, se chegaram até aqui, agradeço a leitura e até a próxima postagem!
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quarta-feira, 7 de junho de 2017

Análise Técnica - Desafio Puma

LoopOne Media
Há um tempo atrás houve um alvoroço entre os entusiastas sobre o retorno da Puma. O caminho natural seria fazer algo baseado em carros leves e bons de chão, como os Lotus Elise e Lobini H1. No entanto, decidiram voltar com um protótipo de corrida, para depois, talvez, produzir carros de rua. Ao longo dos parágrafos abaixo, esmiuçaremos alguns detalhes do protótipo da versão de corrida, visto que não há nada concreto sobre o carro de rua até o presente momento.

O RETORNO E OS ENVOLVIDOS

Costumam dizer que uma andorinha só não faz verão. No caso da Puma, como está detalhado no site dela, a ideia começou com um pequeno grupo de amigos, e depois foi crescendo com a ajuda de alguns colaboradores. A entrevista que o pessoal da Auto Super fez com alguns desses envolvidos pode ser assistida no vídeo abaixo.


Quem desenvolveu o carro de corrida, no entanto, não foi ninguém dos que estão no vídeo. Quem construiu o chassis do protótipo foi o Peter Willian Januário, da PW1, a empresa que faz os carros utilizados na Spyder Race. Esses carros tem sua origem no Aldee Spyder e são fabricados há bastante tempo. Quem desenhou a carroceria foi o Du Oliveira, do blog irmãododécio. A PW1 não cuida mais do desenvolvimento do carro, agora quem faz isso é o pessoal da Nunes Off-Road e da MS Preparações, ambos de Itatinga, cidade onde mora um dos fundadores desta nova etapa da Puma, e onde fica o protótipo de corrida.

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O CHASSIS DO PROTÓTIPO DE CORRIDA

O Puma P052, como está sendo chamado o protótipo, é praticamente o mesmo carro que os Spyder, no que se refere à parte mecânica. Não houve projeto de chassis e suspensão específico para ele. O que ocorreu foi o seguinte, pegou-se um Spyder, tirou-se as estruturas laterais, aumentou-se o habitáculo, adaptou-se os cubos de roda e as mangas de eixo para as rodas de 18", e modificou-se a parte traseira para acomodar o motor na posição transversal (nos Spyder o motor é longitudinal). O chassis do Puma pode ser visto abaixo.

Puma
Tanto o Puma quanto o Spyder sofrem os mesmos problemas em relação à fixação das bandejas de suspensão e desenho do chassis. Como são muito parecidos, é possível prever que o Puma será mais lento, pois tem maior massa, devido ao chassis ligeiramente maior, e um maior momento polar de inércia, que é, em palavras mais fáceis, peso menos centralizado no carro, também devido ao chassis mais largo. Os suportes de fixação das bandejas e amortecedores dianteiros estão desalinhados em relação à direção das forças de reação, que podem ser de frenagem ou laterais. Isso acaba gerando esforços cortantes e momentos fletores, que geralmente são fontes das maiores tensões presentes na estrutura. Abaixo é possível observar o chassis do Spyder.

http://gauchodeendurance.blogspot.com.br
Como pode ser observado nas fotos do chassis, tubos de seção retangular e tubos de seção circular são utilizados. Diferentes partes do chassis reagirão aos esforços internos solicitantes de diferentes formas. Dependendo do tipo de esforço a ser reagido, um tipo de seção vai ser melhor. Se o esforço em questão for um momento fletor, a seção retangular, devido ao seu momento resistente a flexão maior, será melhor. Se o esforço em questão for momento torsor, a seção circular será melhor, pois sua deformação, apesar de ser maior, será menos prejudicial na questão dos deslocamentos. Nessa situação, a seção retangular vira um losango, com pontos concentradores de tensão, o que não é bom. Em uma estrutura tubular como é a do P052, ou um pórtico espacial, como também é chamado esse tipo de estrutura, é interessante ter nós bem definidos e bem localizados para que os esforços oriundos da utilização da estrutura possam ser reagidos da melhor forma, isto é, com a menor deformação e menor massa possíveis no caso do Puma. A fixação da bandeja superior dianteira é um mau exemplo em atender este tipo de critério de projeto, visto que não está alinhada com nenhum nó. Um bom exemplo de chassis triangulado e com nós alinhados é o chassis da Stock Car, que pode ser visto na foto abaixo.

Racecar Engineering

SUSPENSÃO DIANTEIRA

Puma
A suspensão dianteira tem o mesmo arranjo da suspensão do Spyder. Esse tipo de suspensão foi bastante utilizado nos F1 da década de 1960 e 1970, mas caiu em desuso quando descobriram que poderiam utilizar pushrods/pullrods para obter o mesmo efeito de multiplicação de movimento. Em relação à geometria de suspensão, pode-se observar que a disposição das bandejas provê ganho de cambagem negativa na compressão. Também pode-se observar que os pontos de articulação das bandejas estão em planos diferentes dos pontos de articulação da barra de direção. Essa diferença causará esterçamento induzido. Na fixação da bandeja inferior ao chassis, são utilizados terminais rotulares. Aqui temos um caso curioso de uso errado e uso correto dos terminais rotulares na mesma bandeja. Os terminais rotulares são projetados para serem utilizados em tração e compressão. Se houver momentos fletores e esforços cortantes, o desenho da rosca age como um concentrador de tensões, o que pode levar a trincas e até fissuras totais. Assim, o uso de terminais rotulares deve se limitar a certas fixações de um sistema de suspensão.

Puma
O erro mais comum é colocá-los na ponta das bandejas, fixando no cubo de roda, o que os coloca em flexão devido aos esforços de frenagem e da compressão e distensão da suspensão. O terminal rotular da bandeja inferior localizado na perna dianteira vai sofrer flexão e os efeitos mencionados nos parágrafos acima. Já na perna traseira da bandeja, o terminal vai sofrer esforços de tração e compressão. Para fechar a análise da suspensão dianteira, decidi comentar sobre a posição das fixações no cubo de roda. As fixações, tanto na bandeja superior quanto na inferior, estão longe da borda do aro das rodas. As rodas utilizadas nos Spyder são de 13". Este é o motivo das bandejas estarem tão próximas ao centro da roda, para não rasparem nessas rodas menores. Como o Puma utiliza rodas de 18", sobrou espaço.

SUSPENSÃO TRASEIRA

Puma
Na foto acima pode-se observar a suspensão traseira. Como a suspensão dianteira, esse arranjo de suspensão não é muito comum. Não dá para colocar esse arranjo em uma categoria, como SLA ou McPherson. A bandeja inferior tem um desenho que reage às forças de frenagem e aceleração diretamente em sua estrutura, utiliza terminais rotulares nas fixações ao chassis e não os coloca em flexão. Já na bandeja superior há bastante possibilidade de melhoria. A bandeja tem um desenho bem diferente, que não favorece à reação das forças diretamente na estrutura. Isso causa efeitos de flexão e a introdução de um momento fletor que solicita bastante a estrutura, o que pode deformá-la severamente. Além disso, os terminais estão em flexão.

COMPORTAMENTO DO CARRO

Sendo o objetivo o menor tempo de volta possível, fica implícito que o carro deve percorrer a pista na maior velocidade possível. Em curvas, isso significa suportar a maior aceleração lateral possível. Isso é alcançado utilizando a capacidade do carro da maneira mais eficiente, ou seja, sem sobrecarregar pneus, pois são eles que podem fornecer a maior aceleração lateral possível, implicando no menor tempo de volta. Como não sobrecarregar os pneus? Diminuindo as transferências de carga. Se o carro já chegou nos limites de projeto para a redução da transferência de carga, o ponto a ser focado é o comportamento do carro no limite. Isso implica em ajustar o carro para ter um comportamento previsível para o condutor.

LoopOne Media

Os centros de rolagem das suspensões do P052 não são os mais previsíveis. O  centro de rolagem traseiro se situa no solo, e o dianteiro acima dele. O CG está acima dos dois, o que indica que o momento de rolagem traseiro será maior do que o dianteiro, contribuindo para o carro ter um comportamento sobre-esterçante no limite extremo. Não há barras estabilizadoras, nem na dianteira, nem na traseira. Sem barras estabilizadoras, é necessário utilizar molas muito mais rígidas para controlar o movimento do chassis e da suspensão, o que é prejudicial para o contato entre o pneu e a pista.

LoopOne Media
Não houve uma preocupação em desenvolver o chassis em conjunto com a carroceria, e também não houve uma preocupação em casar a dinâmica mecânica do carro com a aerodinâmica dele. O carro pode ser projetado pensando somente nas interações mecânicas, atrito entre os pneus e o solo, geometria puramente pensada para as transferências de carga, ou pensando em todas essas interações e também na interação com o ar. Nesse caso, os projetos de um assoalho plano, difusor, asas, splitters, teriam de ser feitos de forma que a rigidez das molas, posição dos centros de rolagem e geometria de suspensão e direção estivessem condizentes com isso. Não houve um projeto aerodinâmico do P052, essa asa das fotos foi comprada de algum fabricante sem um estudo do fluxo ao redor da carroceria. Não há um assoalho plano, difusor e um splitter ou até uma asa dianteira. Se vai haver uma asa traseira, é necessário que existam aparatos aerodinâmicos na frente do veículo, de forma a equilibrar a posição do Centro de Pressão Aerodinâmica com a do Centro de Gravidade. Essa falta de projeto aerodinâmico pode fazer com que a asa traseira mais atrapalhe do que ajude, o carro pode sair de frente em curvas de alta e sair de traseira em curvas de baixa.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

Marinangelo
Sendo honesto, não gosto do projeto do carro. Não gosto do design da carroceria, não gosto do projeto do chassis e suspensão, e não acho que o dinheiro investido neste protótipo tenha sido bem aproveitado. Acredito que queiram fazer uma versão de rua para poder mitigar este enorme gasto, mas acho difícil agradar clientes com o nível de fabricação mostrado. Algumas coisas não são problema para um carro de corrida, mas clientes que queiram comprar um novo Puma vão querer que ele tenha pelo menos a qualidade de um carro compacto-médio, o que é extremamente difícil de se obter da forma que se fez este protótipo de corrida. A marca Puma é muito forte e lembrada por muitos brasileiros, inclusive quem tem muito dinheiro para investir em ideias extravagantes como criar um carro do zero. A falta de investidores pode ser atribuída à crise econômica que o país vive, mas também à falta de um plano de negócios claro, um produto melhor e objetivos bem definidos. Gente com muito dinheiro gosta de coisas previsíveis, embora muitas vezes eles não sejam.

Marinangelo
Na minha opinião, o design do Marinangelo, presente na duas fotos deste tópico, é bem mais harmonioso e remete mais ao Puma original. Se eu fosse projetar um novo Puma, este seria o design escolhido. Em relação ao planejamento e parte mecânica, teria feito tudo diferente. Primeiro faria um estudo ergonômico, posição dos bancos, distância dos pedais, distância da manopla, enfim, definiria como seria o layout interno do carro. Depois definiria os pontos de fixação do motor, câmbio e suspensão. Aí partiria para um primeiro esboço do chassis, depois para um dimensionamento analítico e depois para um por elementos finitos. Essas etapas finalizadas, partiria para os desenhos de fabricação e definição de tolerâncias. Com os desenhos de fabricação finalizados em mãos, começaria a pensar no gabarito para a construção do chassis. Com o chassis pronto, instalaria o motor e os periféricos. A partir daí teríamos um carro funcionando. O que faltaria seria a carroceria, que já teria sido pensada, desenhada, e poderia ter sido fabricada em conjunto com o chassis. Com a carroceria pronta, começaria a testar o carro. É isso, se chegaram até aqui, agradeço a leitura e até a próxima postagem!
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quarta-feira, 12 de abril de 2017

Análise Técnica - Fórmula SAE

ETSEIB
Todas as postagens de análises técnicas até o presente momento foram sobre carros de verdade, produzidos por empresas ou equipes com experiência no automobilismo. Esta postagem será sobre carros do programa estudantil Fórmula SAE, organizado pela Sociedade dos Engenheiros Automobilísticos (SAE em inglês).

SAE
Meu intuito não é explicar em detalhes a competição (aos que quiserem uma explicação, recomendo este link aqui) e nem me aprofundar em um só carro.

UFMG
Fazendo um breve resumo da história, cada equipe de FSAE deve projetar um carro para ser usado em eventos de autocross, a partir de um regulamento único. O projeto e o carro construído são julgados em diversas categorias, custos, projeto técnico, modelo de negócios (sim, é preciso pensar em como e por que os clientes comprariam seu carro e não o da concorrência), e o desempenho do carro construído, afinal, o projeto pode ser bom, mas se a execução for ruim ou o carro tiver desempenho pior do que os outros, pontos serão perdidos. A maioria dos carros de FSAE tinham a cara da foto acima, agora a maioria tem a cara da foto abaixo. São bem parecidos em termos de tamanho, com exceção do pacote aerodinâmico.

ECPA
Ao contrário do que muitos falam e pensam, a Fórmula SAE não é automobilismo. É uma atividade acadêmica extracurricular bastante interessante, mas o intuito é ser uma via de aplicação e descobrimento de conhecimentos de engenharia, não um campeonato de esporte a motor. Vou escrever sobre três assuntos, suspensão, chassis e a parte aerodinâmica. Se alguém já leu as outras postagens do blog, sabe que escrevo bastante sobre chassis e suspensão, no entanto, dessa vez também vou discutir os pacotes aerodinâmicos e soluções criadas pelas equipes.

SUSPENSÃO E O COMPORTAMENTO DINÂMICO

Um carro ideal de FSAE deve ter um comportamento dinâmico exemplar, ser ágil, mudar de direção rapidamente e se comunicar com o condutor de forma previsível. O projeto inteiro é responsável por isso, mas a suspensão e os pneus têm a maior responsabilidade nesse assunto.


Os carros de FSAE têm esse jeitão meio estranho por causa das provas em pista, o skidpad, autocross e enduro. São provas realizadas em circuitos com curvas fechadas, retas pequenas e pouca largura de pista. As características das provas dinâmicas acabam ditando as medidas dos carros, próximas da mínima por regulamento no caso do entre eixos e da máxima permitida no caso das bitolas, salvo alguma mudança para ajudar a equilibrar a divisão do conjugado de rolagem. Isso é feito porque com um entre eixos diminuto o carro tende a ter um momento polar de inércia menor, o que quer dizer que ele gira mais rápido em seu próprio eixo, sendo mais fácil de contornar um circuito travado (não é só benefício, o carro fica mais arisco e requer um acerto de suspensão ou um piloto condizente).

Petr Magera
Para que o carro seja previsível, é interessante manter os centros de rolagem acima ou abaixo do solo durante toda a variação de curso de suspensão e projetar a geometria de direção de forma que ela tenha um scrub radius razoável, que informe o que está acontecendo com os pneus, mas que não seja excessivamente pesado. Ganho de cambagem negativa na compressão, caster positivo, ângulo do pino mestre não muito pronunciado e controle adequado de convergência também são desejáveis. Em relação a famosa geometria de Ackermann, definir se vai ser pró, anti ou ideal depende completamente do pneu e da velocidade das transferências de carga. Particularmente, eu projetaria um sistema de direção com uma geometria próxima da ideal e ajustaria o resto com a convergência ou divergência estática.

Em questão de geometria é mais ou menos essa a receita do bolo. Claro, se os dados de performance dos pneus estiverem disponíveis, aí é possível determinar a geometria que mais consegue extrair performance do pneu, no entanto, não é fácil conseguir estes dados com os fabricantes. Existe um grupo do qual as equipes podem fazer parte e no qual são compartilhadas curvas de performance de vários pneus comumente utilizados na competição, como os da Hoosier, por exemplo, e os experimentos e dados foram encabeçados e obtidos pelo Milliken e equipe, o cara do livro Race Car Vehicle Dynamics, que é ótima leitura para os interessados.

Zane Adams
Se fizermos alguns experimentos e estudarmos algumas equações de dinâmica longitudinal e lateral, veremos que quanto maior forem as bitolas e o entre eixos, menores serão as transferências de carga, consequentemente as cargas verticais se mantém as mesmas nos pneus, eles trabalham no mesmo ângulo de deriva e produzem a maior força lateral possível, o que é o sonho de qualquer um que projete um carro pensando no seu comportamento em curvas. O que acontece é que tal carro é impossível de se fabricar, então, como em muitos outros casos na engenharia, é necessário equilibrar as variáveis de interesse para atingir um objetivo final. Se o entre eixos é pequeno demais em relação às bitolas, uma suspensão com geometria anti-mergulho e anti-elevação pode ser interessante para que não haja muito movimento do chassis em acelerações e frenagens.

Berkeley
Sobre escolha do tipo de mecanismo de suspensão, push rod, pull rod, sla, tanto faz se for bem projetado. A vantagem dos mecanismos como pull e push rod é a possibilidade de conseguir trabalhar com molas menos rígidas e amortecedores com maior faixa de ajustes devido à multiplicação que ocorre no mecanismo, chamado de rocker ou bell crank em inglês. Sobre o tamanho das rodas e pneus, geralmente são utilizados dois tamanhos, 10" ou 13" de aro, com pneus condizentes. Qual é melhor? Depende de algumas coisas, facilidade de encontrar rodas e pneus deste tamanho no mercado, custo delas, o tamanho dos discos de freio, pinças e o empacotamento dos braços da suspensão. Eu, particularmente, enxergo os pneus e rodas de 10" como uma vantagem, pois o carro acaba ficando mais baixo, têm menos arrasto pela área frontal menor e tem menos massa não-suspensa, no entanto, os braços da suspensão têm de ser projetados para caberem no aro e também para que não sofram maiores deformações devido às maiores forças as quais estarão sujeitos (a decomposição dos esforços acaba sendo menos favorável pois há menos espaço para reagi-los).

TU GRAZ
Os carros acima e abaixo foram feitos pela mesma equipe (quer dizer, a equipe é da mesma universidade, mas integrantes podem ter saído ou entrado). O carro da figura abaixo é mais antigo, nesta época as equipes não se importavam tanto com asas. Os pneus mais baixos do carro de cima casam com a aerodinâmica mais refinada e podem ter sido escolhidos por este motivo, ou pelos outros que comentei, ou ainda por outros que não comentei e  não conheço.

TU GRAZ
A última coisa que gostaria de falar sobre a suspensão é a parte de fixações. Em um projeto automobilístico é necessário pensar em um monte de coisas, cinemática, dinâmica, manufatura, custo, um monte de coisas mesmo. Uma coisa que geralmente passa despercebida, e é pouco valorizada, é a transmissão de esforços. Para projetar, prever comportamentos e estimar possíveis resultados, a engenharia usa modelos matemáticos que representam a realidade até certo ponto. Em uma estrutura tubular geralmente se dimensiona o tamanho, espessura e tipo de perfil a ser utilizado, mas pouco se diz e pouco se ensina sobre a transmissão de esforços através deste perfil. Um exemplo, se uma estrutura tubular soldada precisa transmitir os esforços de um tubo a outro, é necessário que haja um caminho que facilite isso, no caso chapas soldadas nas extremidades, como na foto abaixo.

Sport Compact Car
Além disso, o desenho deste caminho é extremamente importante, por exemplo, roscas não devem, em nenhuma instância, entrar em flexão. Estas coisas deveriam ser mais discutidas, há muitos erros de fixação e transmissão de esforços em vários carros, não só de FSAE. No entanto, como estamos falando de carros da FSAE, observem a foto abaixo.

Pat Clarke
A imagem acima é interessante por que é possível comentar alguns erros comuns em carros de FSAE através dela. Primeiro, as fixações das bandejas às mangas de eixo são feitas com terminais rotulares, popularmente conhecidos como balljoints ou uniballs (já comentei sobre eles em quase todas as outras postagens de análise técnica). Segundo, aquele braço para controle de convergência não vai controlar nada, é muito esbelto e vai deformar, deveria estar fixado mais próximo à borda da roda. Terceiro, se fizerem um esforço é possível ver que o rocker está fixado em um ponto sem nenhuma conexão com outros tubos, em um ponto que não é um nó, e, como já comentei em várias análises anteriormente, isso é péssimo para a distribuição de esforços, pois o tubo terá deformações muito maiores do que se estivesse em um nó, o que vai afetar todo o projeto cinemático da suspensão. Além das coisas comentadas, os suportes de fixação das bandejas no chassis estão tortos, o que prejudica a rigidez. Uma última foto para fechar o assunto:

Pat Clarke
Essa barra em cima da bandeja é um dos braços de direção do carro. Como podem perceber, ela não está no mesmo plano e não tem o mesmo comprimento dos tubos da bandeja, além de estar fixada de forma a revelar que o nível de falta de atenção e entendimento de quem a projetou é grande. Ocorrerá esterçamento induzido, além disso, as bandejas estão fixadas com os terminais rotulares em flexão. Esses erros são bastante comuns em carros de FSAE. Confesso que não consigo entender como esse tipo de coisa não é mais discutido entre as equipes, sendo que em grande parte das vezes uma quebra ocorre e deixa gente de fora da competição.

O CHASSIS

Como é possível ver em todas as fotos postadas até agora, os chassis de carros da FSAE são geralmente tubulares, de aço. Ainda é raro ver na FSAE Brasil chassis de fibra de carbono, mas nas competições da Alemanha, Reino Unido, EUA e Itália  é relativamente comum. Na minha opinião, chassis de fibra ou outros compósitos só deveriam ser feitos se a equipe já tem uma experiência com chassis tubulares, os chamados pórticos espaciais (spaceframe em inglês). Por quê? Pois o caminho das cargas não é nada claro em um chassis de fibra, assim, como ferramenta educacional, o chassis tubular é muito mais interessante. É possível ver onde as cargas são aplicadas e onde são reagidas, é possível identificar erros de projeto mais facilmente e a manufatura acaba sendo mais barata e menos complicada do que em um chassis de fibra.

ETH Zurich
O carro da foto acima é um exemplo de chassis de fibra de carbono. Como podem observar, a qualidade de construção e a beleza do carro são notáveis, no entanto, a equipe existe há 11 anos e conta com apoio de bons patrocinadores, como o grupo BMW. É esse tipo de estrutura de equipe que possibilita a construção (e entendimento) de um chassis de compósito. Equipes com 2, 3 anos de vida não têm a capacidade humana e experiência (ainda) para atuar nesse nível, isso sem contar o patrocínio.

Budapest University of Technology and Economics

Um bom exemplo de chassis tubular pode ser visto na imagem acima, também de um carro de FSAE. Já escrevi bastante sobre chassis tubulares, pórticos espaciais e bom/mau uso deste tipo de estrutura em diversas análises aqui no blog, recomendo aos interessados uma leitura das postagens do Puma, F-Inter e do Sandero RS. Particularmente, pela facilidade de fabricação e custo mais baixo, eu faria o chassis em aço 1020, com soldas TIG, tubos de seção redonda (ou circular, como quiser chamar), e todos os nós bem triangulados, talvez até com mais nós do que o chassis da imagem acima. Artigos interessantes sobre o assunto (e específicos sobre FSAE, mas não muito profundos) são os do Pat Clarke, seguem alguns links interessantes sobre chassis, erros de projeto mortais e sobre o básico do básico.

A AERODINÂMICA

Passados o chassis e a suspensão, chegou a hora da aerodinâmica. Vou escrever sobre os carros utilizados na competição de FSAE Brasil de 2016, simplesmente por que encontrei fotos deles e também por que consegui ver o modelo utilizado em 2016 pela faculdade na qual me formei ao vivo e a cores.

ECPA
Existem 3 dispositivos aerodinâmicos facilmente identificados em carros do tipo fórmula, a asa dianteira, o assoalho/difusor e a asa traseira. Na F1, as asas têm quantos elementos puderem ter, a carenagem é cheia de apêndices aerodinâmicos e o assoalho só não tem mais complexidade por que o regulamento é limitado. No entanto, na FSAE Brasil, a maioria dos carros não usa asas e nem aproveita o assoalho para gerar downforce, vide a foto acima do carro da UFRJ. Isso me trouxe uma dúvida, um carro de FSAE deve ter asas ou elas só atrapalham? Afinal, é mais arrasto e também mais peso para o carro. Esse tipo de pergunta só pode ser respondido com números, não tem outro jeito. Há um tempo atrás assisti o vídeo abaixo do canal Kyle.Drives, e descobri o software Optimum Lap, da OptimumG (se vocês gostam de dinâmica veicular, procurem mais sobre esses caras).


O software é um simulador de tempo de volta, e ajuda bastante a escolher se um carro, em um determinado circuito, vai se dar melhor com mais potência ou mais downforce, que é mais ou menos a mesma pergunta que eu fiz nos parágrafos anteriores. Pois então, usei o Optimum Lap para simular um carro de FSAE com e sem pacote aerodinâmico, além de simular também o carro sem pacote aerodinâmico porém com mais potência do que os outros dois. Abaixo está o gráfico de aceleração lateral no circuito de autocross utilizado na FSAE Alemã em 2012.
Lucas Vidal
Como os próprios desenvolvedores do programa e o Kyle nos informam, não conseguiremos valores absolutos de tempo de volta, no entanto, as variações de tempo entre duas frentes de trabalho, por exemplo, com e sem dispositivos aerodinâmicos, é bastante aceitável. Como pode ser observado, um carro de FSAE com pacote aerodinâmico é cerca de dois segundos e meio mais rápido do que um sem pacote, com a mesma potência. Além disso, o carro com o pacote aerodinâmico é 20 kg mais pesado. E quanto ao sem pacote porém com mais potência? Virou o mesmo tempo do que o sem pacote. Não adianta ter mais potência e mais torque se não dá pra aproveitá-los. Nesse tipo de pista, com este tipo de carro, é mais interessante ter asas do que um super motor, contrariando o que Il Commendatore Enzo Ferrari dizia em sua época, "a aerodinâmica é para os fracassados que não sabem fazer motores".

ECPA
Pode-se concluir então que carros sem pacote aerodinâmico, embora mais leves, não serão tão eficientes quanto um carro com asas. Os camaradas da UNIFEI aí de cima não seriam mais rápidos do que os da EESC-USP, logo nas primeiras fotos da postagem. No entanto, há muitas outras variáveis, como o piloto por exemplo. Voltando ao assunto deste tópico, a esmagadora maioria dos participantes tinha somente uma carenagem simples cobrindo a parte dianteira dos carros. Não é nada fácil fazer um pacote aerodinâmico eficiente, casá-lo com os outros sistemas do carro e mantê-lo controlado no orçamento, principalmente se quiserem (e sempre querem) usar fibra de carbono em tudo. No entanto, se alguém consegue colocar ordem na casa e fazer as contas certas, é possível e o carro, teoricamente, é mais rápido.

ECPA
Na foto acima pode-se observar, além do mesmo estilo de carro dos outros, que a posição de dirigir está bem estranha para um monoposto, o tronco do piloto está quase na vertical. Na minha opinião, de duas, uma: Ou o piloto é muito alto, ou o carro foi ergonomicamente mal projetado. Na foto abaixo pode-se observar que a posição de dirigir está melhor, com o piloto melhor posicionado.

ECPA
Não é só a posição de dirigir que se pode observar, este carro da EESC-USP tem os 3 dispositivos aerodinâmicos comuns que comentei parágrafos acima, asa dianteira, assoalho/difusor e asa traseira. Engraçado que não ligaram muito para as laterais, deixando radiadores expostos. O carro da foto acima foi o campeão de 2016, levando a maior nota na prova de design. O segundo e o terceiro colocados em 2016 foram carros sem asas, mas tiveram notas inferiores a outras faculdades na prova de design.

ECPA
O carro acima foi o segundo colocado na prova de design, e na minha opinião tem quase o pacote aerodinâmico ideal, deixando a desejar pela falta de um assoalho/difusor. Abaixo se encontra o carro utilizado pela faculdade na qual eu me formei, Instituto Mauá de Tecnologia.

Mauá
Certamente é um dos mais imponentes e cheios de coisa, mas tem bastantes detalhes que não fazem muito sentido para mim. Nessa seção traseira é possível ver os dois radiadores utilizados no carro. Apesar de terem ventoinhas, estão colocados em um lugar com pouco fluxo de ar limpo, próximo do motor (que é a fonte de calor) e atrapalhando o uso de um difusor. Na foto abaixo é possível ver o carro de frente.

Mauá
Notem que na lateral, em vez dos radiadores, como no carro da EESC-USP, está uma estrutura com duas (ou três, não lembro) asas. Em outros carros de FSAE, até carros gringos, também é possível ver essa solução. Quando eu dei uma fuçada na oficina do pessoal conversei com um integrante que disse que essas asas têm a função de substituir um difusor, pois eles não tinham espaço para fazer um devido ao cárter muito baixo e dos radiadores. A simulação de tempo de volta no Optimum Lap nos dá uma pista de que a aerodinâmica acaba sendo mais importante do que a potência nesses eventos, então eu priorizaria a otimização do fluxo de ar, colocaria os radiadores na lateral, faria um sistema de cárter seco e um difusor. As asas ali na lateral, assim como os radiadores na traseira, não pegam um fluxo limpo de ar, o que diminui sua eficiência. O pessoal acabou em oitavo lugar, provavelmente por coisas como esses detalhes, que não são só da parte aerodinâmica, por exemplo, a suspensão usa os famigerados terminais rotulares para fixação na manga de eixo/cubo de roda.

PARA FINALIZAR

 Essa análise foi bem menos profunda do que algumas das anteriores, por exemplo a do Sandero RS, e isso foi proposital. Por mais que os estudantes queiram argumentar, e gostem de acreditar (eu também fazia e às vezes ainda faço isso), que a parte técnica, o grau de complexidade disso ou daquilo, o tipo de mecanismo de suspensão, o tipo de amortecedor, se o chassis é de fibra, de aço, de alumínio, enfim, por mais que existam esses debates, a FSAE (e praticamente todos os mercados ou competições) acaba sendo sempre sobre quem consegue aproveitar melhor os seus recursos, e não sobre quem tenta fazer o carro mais complexo ou desafiador. Se a equipe tem um nível técnico baixo, não adianta mirar no curto prazo para um foguete nível F1. O capitão, líder, gerente, orientador, o cacete que for, tem que enxergar e conhecer o nível de cada um para poder dar uma direção ao projeto, sempre tentando fazer com que os gastos sejam os melhores possíveis e que os alunos tenham o maior aprendizado, não só técnico como de atitude, comportamento, comunicação e o clichê de sempre, trabalho em equipe. Abaixo há um vídeo do Claude Rouelle falando, entre outras coisas, sobre isso. Ele é presidente da OptimumG e engenheiro com diversas experiências no automobilismo. Ah, e ele também é um dos juízes da FSAE mundial. Se eu fosse vocês, apertava o play logo.


Se alguma alma que leu isto aqui se perguntou se eu faço, ou fiz parte de alguma equipe de FSAE, a resposta é não. Quando entrei na faculdade achava que o que importava era o meu boletim, provas e estágios, depois percebi que atividades como a FSAE, ou o Baja SAE, são um prato cheio para entusiastas e também te dão uma visibilidade maior no currículo. Bastantes colegas de sala e amigos fizeram parte da equipe, mas eles sempre me diziam a mesma coisa, faltava organização e o clima era muito hostil, o pessoal ficava mais interessado em falar que sabia e esconder o jogo do que em realmente aprender e compartilhar. Mesmo assim, tentei fazer parte mais para o fim da faculdade, quando achei que tinha algo a oferecer para a equipe, corri atrás para me inscrever, mas não recebi resposta nem positiva nem negativa. Enfim, talvez em outra equipe tivesse dado certo, mas ali, naquele momento, acho que não era pra ser.

É isso pessoal, se alguém chegou até aqui, agradeço a leitura e até a próxima postagem!
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