Laboratório de Sistemas Veiculares

Sistemas veiculares automotivos

• Chassis

            É a estrutura funcional de suporte dos sistemas veiculares e responsável pelo conforto (Acomodação dos assentos) e segurança (habitáculo) dos passageiros. Esta espécie estrutural pode ser dividida em:

            No aspecto de engenharia de automóveis atual, existem basicamente duas maneiras de realizar a construção do chassi, são elas:

• Chassi estrutural: Existe uma separação entre o chassi e a carroçaria, cada um com uma função. Comum entre veículos comerciais e pick-ups médias e grandes é constituído basicamente de elementos longitudinais e transversais conhecidos como longarinas e travessas, respectivamente. Oferecem boa rigidez a flexão e são de fabricação muito bem compreendida e ágil. Normalmente fixados por rebite, os elementos podem ser  substituídos.

O material mais comumente encontrado para este perfil é o aço, disposto em vigas abertas, normalmente de seção transversal em em C ou em U.

• Monobloco: É a solução mais comum para os veículos pequenos e médios, apresenta a construção baseada em chapas, principalmente em aço, estampadas de formas variadas e unidas por solda por pontos e ou rebites. Alguns veículos utilizam-se de colas estruturais. Assim, uma estrutura fechada é formada, o que possibilita um alto grau de rigidez à torção para o chassi como um todo.

Para fornecer segurança aos ocupantes, o monobloco pode apresentar diversas espessuras de chapas e também materiais diferentes, buscando deformações planejadas em regiões de impacto e resistência superior no habitáculo por exemplo. A otimização de materiais e geometria torna-se cada vez mais necessária, buscando a redução de peso e emissão de poluentes.

• Sistema de Direção

Empregado para o direcionamento e controle do veículo, criando forças e momentos necessários à mudança de trajetória durante o percurso do veículo. A mudança e controle de trajetória pode ser realizada ativamente pelo motorista ou pelo próprio veículo, caso este seja dotado de sistemas autônomos ou semi autônomos. Basicamente, os sistemas de direção fundamentam-se em mecanismos de barras, cuja geometria é realizada de maneira a atender as premissas de projeto e capacidades de esterçamento.

Pode-se dividir o sistema de direção em três dispositivos básicos:

• Mecanismo de direção: Consiste no sistema de ligação entre a manga de eixo e a caixa de direção por meio de braços articulados e terminais esféricos. O eixo de rotação da roda é em torno do pino mestre, cuja inclinação em relação ao eixo vertical fornece o ângulo de caster.

• Caixa de direção: Responsável por transformar o movimento circular do volante em deslocamento dos tirantes de direção. Pode ser um dispositivo puramente mecânico, elétrico ou hidráulico, ou ainda a combinação entre eles. Atualmente, a maioria dos veículos utiliza a caixa de direção com o princípio de pinhão e cremalheira, com algum tipo de assistência ao esforço do motorista. A tendência é a utilização de auxílio por meio de motores elétricos.

• Coluna de direção: Serve como um mancal de apoio ao eixo de transmissão de torque do volante à caixa de direção.

• Sistema de Freio

Sistema utilizado para parar o veículo, reduzir sua velocidade ou mantê-lo parado. Um sistema de freio bem dimensionado fornece segurança, tanto para quem está no veículo quanto para aqueles que compartilham da mesma via, sejam estes pedestres, ciclistas, animais, entre outros. Os veículos em geral utilizam freios a disco ou a tambor ou ainda uma combinação de ambos. O acionamento pode ser hidráulico, mecânico (Via cabos), pneumático e elétrico ou a combinação entre eles.

• Freios a tambor

Os freios a tambor são comuns em veículos de transporte de carga e em veículos mais antigos bem como nos eixos traseiros de veículos em geral. São de baixo custo, fácil reparabilidade e fabricação. Consiste basicamente de um cilindro hidráulico que empurra um par de sapatas feitas de material de atrito contra a parede interna de um tambor, gerando calor e torque de frenagem.

Veículos de carga e transporte, como caminhões e ônibus utilizam freios a tambor em sua grande maioria, porém sua potência de frenagem vem por meio de ar comprimido e atua nas sapatas por meio de um eixo cuja extremidade possui o formato de um “S”.

• Freios a disco

Os freios a disco tornaram-se populares em sistemas de freio dianteiros dos veículos em geral e comuns em eixos traseiros de veículos esportivos e premium. Consiste basicamente de um rotor (Disco de freio), que pode ser ventilado ou não, solidário ao cubo de roda e um sistema hidráulico (Cáliper ou pinça de freio) que possui um ou mais êmbolos que forçam as pastilhas contra o disco, gerando potência de frenagem e calor. As pinças podem ser deslizantes ou fixas.

• Sistema de Suspensão

Responsável por filtrar vibrações (fornecimento de conforto) de variadas amplitudes e frequências, provenientes da geometria da pista bem como garantir manobrabilidade e performance em dinâmica veicular da respectiva massa suspensa, possibilitando o maior contato possível dos pneus com o solo. Os elementos que compõem a suspensão são basicamente compostos por: Mecanismos de barras (balanças, tirantes, bieletas, terminais rotulares e ou esféricos, elementos elásticos (molas helicoidais, molas semi-elípticas, molas pneumáticas, barras de torção, estabilizadores entre outros) e elementos amortecedores (conjunto amortecedor hidráulico pressurizado ou não, buchas, coxins e batentes). Os pneus também fazem parte do projeto e dimensionamento da suspensão, funcionando como molas devido ao comportamento elástico da borracha combinado com a compressibilidade do ar interno (pressurizado) cujo comportamento é quase ideal. A histerese do material (borracha) oferece certo grau de amortecimento e absorção de vibrações de amplitudes mais baixas. A figura a seguir mostra um modelo de sete graus de liberdade para um veículo com suspensão independente nas rodas dianteiras e eixo rígido nas traseiras.

Pode-se dividir as suspensões em três classes principais: Independentes, semi-independentes (eixos de torção) e dependentes (eixo rígido). Ainda, existem duas maneiras de separar os projetos de suspensão, em: ativas e passivas. As suspensões ativas estão disponíveis principalmente em veículos de maior sofisticação (luxo) garantindo o mínimo deslocamento da massa suspensa e grande estabilidade. A suspensão passiva é encontrada na maioria dos automóveis em uso atualmente, cujos componentes principais são a mola e o amortecedor. A seguir apresentaremos três exemplos, uma suspensão dependente (eixo rígido), uma independente e outra semi-independente (eixo de torção).

• Eixo rígido

Esse tipo de suspensão é utilizado principalmente em veículos com elevada capacidade de carga, em sua grande maioria utiliza molas semi-elípticas sobrepostas em feixe ou com somente uma lamina. Além de servir como elemento elástico a mola limita o giro do eixo devido ao torque do diferencial e também serve de bloqueio para a movimentação longitudinal do mesmo.

• Independente

Nessa composição, as duas mangas de eixo possuem graus de liberdade exclusivos, ou seja, a ação da manga direita não interfere no comportamento da suspensão da manga esquerda. Não há ligação entre ambas, exceto por estabilizadores e sistemas de esterçamento. Um sistema que fornece bastante liberdade de movimentação e permite uma resposta dinâmica bastante primorosa é a suspensão multi-link ou do português multibraços. 

• Semi-independente

O modelo de suspensão acima possui características intermediárias, entre as dependentes e independentes. As duas mangas de eixos são conectadas por um elemento cuja rigidez não pode ser simplesmente ignorada. Assim, a grande maioria possui um eixo, normalmente de seção aberta chamado de eixo de torção.

Video ilustrativo.

• Sistema de Transmissão

Sistema automotivo empregado para adequar o torque variável proveniente do motor e poder transferi-lo às rodas do veículo de modo a atingir forças de tração e velocidades oportunas, de acordo com a necessidade do motorista ou pela imposição da pista de rolamento. Não obstante, a transmissão permite o desacoplamento e interrupção do fluxo de torque para as rodas bem como é capaz, se bem dimensionada, de permitir condições de torque máximo para a movimentação do veículo partindo da inércia.

Vários sistemas mecânicos com relações de transmissão estão disponíveis para cumprir a função acima citada. A escolha de qual solução utilizar não é simples e tão pouco consegue suprir as necessidades de todos os motoristas e com isso tem gerado desenvolvimento e estudo nas grandes áreas da engenharia. A transmissão compreende todo o conjunto de elementos, desde o volante do motor (saída da árvore de manivelas) até os cubos de roda, porém ilustra-se-ão somente as variações das caixas de mudança ou caixas de marchas  como são popularmente conhecidas.

• Caixa Manual

As caixas de mudança manuais como o próprio nome apresenta são dispositivos mecânicos compostos por pares engrenados de diferentes relações de transmissão. O eixo piloto está ligado ao disco de embreagem e fornece o torque ao eixos presentes no trem de engrenagens, assim fornecendo torque ao conjunto do diferencial na saída da caixa e posteriormente às rodas por meio das árvores de transmissão.

As trocas são feitas com a realização de força do motorista, que desloca os garfos de seleção por meio da alavanca de câmbio (conjunto trambulador) que transmite força por cabos ou hastes até a caixa. A luva sincrônica do conjunto sincronizador é estriada por dentro e quando é movida para frente ou para trás encaixa-se aos dentes da engrenagem oprtuna cujo desenho é baseado nos antigos dog-clutches, dessa forma o torque estará disponível e a relação de transmissão realizada.

• Caixas Automáticas

O primeiro ponto a ser observado neste tipo de transmissão é a presença do conversor de torque como meio de interrupção de fluxo de torque e amplificador do mesmo. As trocas de relação de transmissão são intermediadas por atuadores hidráulicos, que freiam e liberam as planetárias, solares e ou satélites por meio conjuntos de discos de fricção (embreagens imersas) a depender da estratégia do módulo do câmbio, como exemplo da figura que se segue. O princípio de transmissão de torque se da por meio de conjuntos de engrenagens planetárias como já mencionado.

Os câmbios automáticos oferecem conforto e praticidade, porém são menos eficientes devido à percas no conversor de torque e conjuntos hidráulicos se comparados com os câmbios manuais.

• Caixas Automatizadas

 

O sistema de transmissão de torque é o mesmo dos câmbios manuais, porém o acionamento da embreagem bem como a troca das marchas são realizadas por atuadores eletro-hidráulicos controlados por uma unidade eletrônica dedicada (TCM). Este tipo de caixa de marchas é conhecido por ASG (Automated Sequential Gearbox) e existem as transmissões de dupla embreagem também automatizadas, as DSGs (Direct Shift Gearbox) permitindo trocas de marcha em alta velocidade e operação com eficiência próxima de um câmbio puramente manual. Grandes transportadoras e viações estão optando por caminhões e ônibus com câmbios robotizados, pois possibilitam trocas de marchas em regimes de operação ótimos já programados no TCM, reduzindo o consumo de combustível e aumentando a durabilidade do conjunto de transmissão.

• Caixas CVT

Essa configuração permite uma quantidade infinita de relações de transmissão por meio da variação do diâmetro das polias acopladas por uma correia metálica. Benefícios de conforto, performance e economia de combustível fazem desta a configuração escolhida por montadoras em alguns modelos.

O grande desafio encontrado nesses dispositivos mecânicos de geometria variável está na durabilidade e capacidade de transmissão de torque. A cinta (correia) metálica deve possuir propriedades mecânicas capazes de gerar certo grau de aderência nas polias e ao mesmo tempo prevenir o desgaste prematuro do conjunto.

---