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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