Sistemas Automotivos - Estruturas, Segurança e Tecnologia

SISTEMAS AUTOMOTIVOS Rafael Bruno Bertoncini 2 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO AOS SISTEMAS AUTOMOTIVOS 3 2 ESTRUTURA VEICULAR E CARROCERIA 21 3 SISTEMAS DE SEGURANÇA E CONFORTO 34 4 TREM DE FORÇA 51 5 DINÂMICA E GEOMETRIA VEICULAR 85 6 ELETROELETRÔNICA TENDÊNCIAS E TECNOLOGIAS FUTURAS 126 3 1 INTRODUÇÃO AOS SISTEMAS AUTOMOTIVOS Apresentação Neste bloco será apresentado o processo produtivo dos automóveis suas características gerais e classificações de modo a compreender como os automóveis são constituídos e construídos A partir desta compreensão macro do automóvel poderemos detalhar cada sistema automotivo visando entender o seu funcionamento básico seus componentes e suas aplicações 11 Processo produtivo dos automóveis Os automóveis são produzidos em linhas de montagem num processo progressivo até a finalização do veículo Nestas linhas de montagem peças são adicionadas aos subconjuntos transferidos de operação em operação garantindo assim maior velocidade ao processo com menor mão de obra e maior especialização de cada operação Esse conceito permite ainda a montagem de diversos veículos que compartilhem peças entre si numa mesma linha como no caso de uma plataforma de veículo com diversas silhuetas ou variantes Fonte Skoda Storyboard 2019 Figura 11 Linha de montagem de veículo 4 As linhas de montagem podem ser de baixo volume ou até manual dedicado aos veículos de nicho como superesportivos e de alto luxo mas habitualmente são de médio ou alto volume de modo a maximizar os ganhos em escala desse tipo de processo O processo de montagem sequencial permite que diversas operações sejam realizadas em paralelo reduzindo o tempo total de montagem do automóvel que pode variar entre duas e três horas dependendo da cadência e da capacidade de produção da linha de montagem Geralmente a cadência da linha é dada pela operação gargalo ou seja a operação que leva mais tempo para ser completada Assim supondo que a montagem do trem de força no veículo leve 20 minutos e esta seja a operação gargalo então a cadência desta linha será de 20 minutos dito de outra maneira um veículo sairá no final da linha a cada 20 minutos Existem linhas de alto volume em que a cadência pode chegar a incrível 1 minuto ou menos Serão apresentados a seguir os principais processos de produção do automóvel 111 Chaparia O processo de chaparia é composto por dois grupos de processos Estamparia O processo de estamparia é o responsável pela formação das chapas e componentes estruturais do chassi e da carroceria do automóvel Nesse processo bobinas metálicas de aço de alumínio ou de outras ligas de diversas medidas e espessuras abastecem as linhas de prensas com estampos progressivos que a cada estampagem vão dando forma à peça final chapas ou blanks 5 Fonte ÁpiaNet 2018 Figura 12 Linha de estamparia com prensas progressivas Armação A armação é o processo de montagem das chapas e dos blanks em subconjuntos que posteriormente são montados entre si dando forma primeiramente ao chassi e na sequência à carroceria do automóvel A primeira etapa desse processo é a montagem do quadro do chassi Os diversos blanks são soldados formando a parte inferior do chassi para posterior união da estrutura lateral e o fechamento da parte superior no processo de conformação geométrica Nesse processo as estruturas laterais e superiores são posicionadas geometricamente e mantidas em posição por robôs manipuladores enquanto robôs soldadores fazem a união do quadro do veículo Fonte Audi Media Center 2021 Figura 13 Quadro do chassi sendo soldado após conformação geométrica 6 A segunda etapa do processo de armação é a montagem da carroceria Uma vez finalizada a estrutura do quadro a da carroceria continua a ser soldada ao quadro peçaapeça sendo adicionadas as chapas do teto das laterais dos paralamas e na sequência a montagem dos conjuntos móveis portas capô e portamalas Vale notar que a união das diversas peças não se resume somente aos diversos processos de solda mas também podem ser unidas por adesivos estruturais Após a montagem da carroceria ela é controlada digitalmente por escâneres com o objetivo de garantir a correta geometria de acordo com a maquete numérica do veículo e por inspetores de qualidade a fim de checar imperfeições e folgas dos conjuntos móveis Uma vez finalizado o controle da carroceria ela é liberada para o próximo processo a pintura 112 Pintura A pintura do veículo é um processo extenso composto por diversas operações sensíveis até a pintura propriamente dita Na sequência são apresentadas estas operações Classificação das carrocerias Numa linha de montagem flexível diversos veículos diferentes são produzidos nela e sua produção não é realizada por lotes de veículos iguais mas sim pelas diversas famílias de cores as quais estes podem ser pintados Dessa forma as diferentes carrocerias são agrupadas pelas famílias de tonalidades as quais serão tingidas formando assim lotes de pintura por tonalidade Tratamento das carrocerias As carrocerias devem ser tratadas antes de receber a pintura Primeiramente as carrocerias são lavadas depois desengorduradas e finalmente imersas em diferentes banhos eletrolíticos de modo a cobrir toda a superfície da carroceria com uma camada de fosfato de zinco os processos de cataforese e fosfatização Estes banhos servem para preparar a superfície para a adesão do primer e dar proteção contra a corrosão 7 Fonte Skoda Storyboard 2019 Figuras 14 e 15 Lavagem da carroceria e banho de fosfatização Após este tratamento elas são enxaguadas e secas em estufa é nesse processo de secagem em que os adesivos estruturais curam Ao sair da estufa as carrocerias passam pelo primeiro processo de controle de acabamento por inspetores de qualidade que verificam a correta aplicação da camada de proteção e corrigem pequenas imperfeições na superfície Fonte Skoda Storyboard 2019 Figura 16 Controle de acabamento pósfosfatização 8 Vedação das carrocerias Tampas e plugues são colocados em aberturas da carroceria e em seguida são aplicados os cordões de vedação selante em pontos estratégicos de modo a evitar a corrosão e a entrada de água e poeira A maior parte do selante é aplicada por robôs porém existem regiões de difícil acesso que requerem aplicação manual Fonte Skoda Storyboard 2019 Figuras 17 e 18 Montagem de tampas e plugues e aplicação automatizada do selante Aplicação do primer Na sequência é aplicado o primer através de um sistema automático de pulverização eletrostática Existem em média três tonalidades de primer e a escolha delas é feita de acordo com a cor final do veículo Após esta aplicação a carroceria é novamente seca e neste processo o selante de vedação é curado Fonte Skoda Storyboard 2019 Figura 19 Aplicação automatizada do primer 9 Ao sair da estufa as carrocerias passam por um processo adicional de controle de acabamento onde se verifica a correta aplicação do primer e corrigem pequenas imperfeições na superfície Em seguida a carroceria é limpa com plumas de avestruz de modo a remover a poeira e partículas de sujeira da superfície Fonte Skoda Storyboard 2019 Figura 110 Limpeza da carroceria com plumas de avestruz Pintura e envernizamento Finalmente a carroceria é pintada por um sistema automático de pulverização eletrostática o mesmo tipo de equipamento da aplicação do primer Esse sistema pulveriza uma fina névoa de tinta à base de água eletrostaticamente atraída à carroceria diminuindo assim a quantidade de tinta aplicada e reduzindo a contaminação da água utilizada neste processo Geralmente os veículos de cores sólidas possuem apenas uma camada de tinta enquanto os de cores metálicas possuem duas e os de perolizadas três Após pintada a carroceria passa por um processo intermediário de secagem antes de ser envernizada por mais um sistema automático de pulverização eletrostática O verniz é aplicado sobre as camadas de tinta com o objetivo da dar brilho e dureza à pintura além de protegêla de riscos 10 Fonte Skoda Storyboard 2019 Figura 111 Processo de pintura e envernizamento da carroceria A carroceria envernizada passa pelo último processo de secagem antes do controle de aparência Controle de aparência e acabamento Por último inspetores de qualidade controlam a aparência final da pintura e corrigem pequenas imperfeições Caso uma imperfeição maior seja detectada então a carroceria pode ser deslocada para uma área de reparo especializado antes de ser liberada para a montagem Fonte Skoda Storyboard 2019 Figura 112 Controle de aparência e acabamento 11 113 Montagem A primeira operação do processo de montagem do veículo é a identificação das carrocerias Ao entrar na linha de montagem as recém pintadas são identificadas com um número de produção e recebem uma folha de atribuição que acompanha o veículo ao longo do processo de montagem Nela são atribuídas as características que este veículo deverá ter como definição de acabamento opcionais motor e câmbio entre outros Fonte Car Factories 2020 Print Screen Figura 113 Folha de atribuição do veículo fixada no capô Na sequência as portas são desmontadas da carroceria e transferidas para uma linha de montagem paralela que será responsável por montar acabamento vidros sistema elétrico e maçanetas abrindo espaço para a montagem dos demais componentes na carroceria O chicote elétrico é um dos primeiros componentes a serem montados na carroceria uma vez que ele é muito extenso e com diversas ramificações Depois é montado o painel de instrumentos com o auxílio de manipuladores robóticos componente este que não poderia ser montado se as portas estivessem fixas à carroceria Em seguida é instalado o parabrisa por robôs eles aplicam o cordão selante que irá colar e vedar o parabrisa na carroceria e em seguida ele é posicionado e fixado à carroceria por feixes de laser 12 O trem de força suspensões tanque de combustível e linha de escape são montados numa linha paralela que converge para a linha de montagem do veículo Nessa etapa as carrocerias são levantadas para que estes componentes mecânicos sejam posicionados logo abaixo de modo a haver a união vertical entre estes componentes e a carroceria Essa união é conhecida por casamento Fonte Audi Media Center 2021 Figura 114 Processo de casamento entre os componentes do trem de força e a carroceria A montagem segue com outros componentes de vedação forros acabamentos internos e bancos Depois são montados os acabamentos externos rodas para choques e finalmente as portas 114 Controle final Nessa etapa o veículo montado passa por uma série de verificações antes da liberação para o pátio A primeira é uma verificação completa do sistema eletroeletrônico onde são controlados os ajustes dos faróis o acionamento das setas de conversão os sistemas de alerta a segurança o conforto e a diagnose além do alinhamento dos pneus Nessa operação como em todas as operações seguintes se uma falha é verificada ela é corrigida imediatamente e a sua origem é identificada Se o veículo estiver conforme ele segue para a próxima etapa 13 A seguir o veículo passa por uma série de verificações em dinamômetro de rolo para avaliar o comportamento correto dos conjuntos mecânicos como trem de força suspensão e emissões Alguns veículos são verificados por amostragem em um sistema de chuveiros de alta pressão que simulam chuvas fortes de modo a detectar possíveis entradas de água no habitáculo Fonte Skoda Storyboard 2020 Figura 115 Teste de estanqueidade da carroceria Posteriormente a dinâmica do veículo e o ruído interno são verificados numa pista de teste e o veículo é levado ao pátio para a expedição futura aos distribuidores 12 Características gerais dos automóveis O sistema de coordenadas dos automóveis sempre fixo no centro de gravidade CG é composto por 3 eixos X para movimentos longitudinais sendo X o sentido de movimento do automóvel Y para movimentos laterais e Z para movimentos verticais também conhecidos por translações O ângulo de arfagem β ou rotação ao redor do eixo Y ocorre durante a aceleração e a frenagem do automóvel e os ângulos de guinada γ e de rolagem α ou de rotação ao redor dos eixos Z e X respectivamente ocorrem de maneira combinada durantes as curvas à direita ou à esquerda 14 Fonte Bertoti 2018 Figura 116 Definição dos movimentos de translação e rotação do veículo A figura abaixo ilustra as forças atuantes no veículo imobilizado Fonte Jazar 2014 Figura 117 Forças aplicadas a um veículo estacionado em pista plana A força peso P aplicada ao CG é composta pela massa do veículo m multiplicada pela aceleração da gravidade g sendo P mg Essa força é anulada pelas forças normais Fz ou seja as forças de contato de cada pneu ao solo indicadas na ilustração acima por 2Fz1 e 2Fz2 sendo 2 dois pneus por eixo Quando em movimento além das forças indicadas anteriormente devemos considerar a força de tração no sentido do movimento quando em aceleração 2Fx1 e 2Fx2 aplicadas no eixo X No caso das figuras 117 e 118 temos um veículo com tração nas 4 rodas a força de tração é aplicada somente no eixo de tração e as forças 15 resistentes à tração ou forças contrarias ao movimento em X como a força de resistência ao rolamento 2Frr1 e 2Frr2 referentes à inércia dos componentes de transmissão do movimento à deformação do pneu e ao atrito entre o pneu e o pavimento a força de arrasto aerodinâmico Fa referente à resistência aerodinâmica e o gradiente de rampa no caso de aclives resistência ou declives assistência Fonte adaptado de Jazar 2014 Figura 118 Forças aplicadas a um veículo em movimento em pista plana A próxima figura apresenta as principais dimensões de um veículo Fonte adaptado de Macey Wardle 2009 Figura 119 Principais dimensões do veículo Estas dimensões são fundamentais para a definição do tipo e objetivo de um veículo Comprimento largura e altura são dimensões tradicionais de qualquer objeto no entanto no caso dos veículos outras dimensões podem possuir maior importância 16 Do ponto de vista da dinâmica veicular e estabilidade a bitola distância entre os centros do perfil dos pneus e a distância entre eixos são muito importantes A bitola irá influenciar adicionalmente a largura e o espaço interno do veículo enquanto a distância entre eixos também irá influenciar o espaço para os passageiros traseiros A projeção frontal define o espaço disponível para o trem de força à frente do veículo e se for muito grande irá reduzir o ângulo de ataque permitindo assim que o veículo raspe embaixo numa valeta ou lombada Já a projeção traseira define o espaço disponível para o portamalas e se também for muito grande irá igualmente reduzir o ângulo de saída fazendo com que o veículo raspe a ponta do escapamento ou para choque na saída de uma valeta ou lombada Os ângulos de ataque e saída ainda são influenciados pelo vão livre do solo quanto maior o vão maiores serão esses ângulos Todavia o vão livre do solo influencia outras características do veículo se for grande irá aumentar o rolamento da carroceria em curva ângulo de rolagem o que é perigoso e irá aumentar o consumo de combustível em velocidade devido à grande quantidade de ar que passará por baixo do veículo aumentando a força de arrasto aerodinâmico e se for pequeno irá prejudicar a mobilidade em vias esburacadas e com valetas e lombadas apesar do ganho dinâmico e a redução do consumo de combustível em velocidade Portanto o escopo de um veículo tem que estar muito claro aos projetistas de modo que estas dimensões principais sejam corretamente definidas onde algumas delas se contrapõem 13 Classificação dos automóveis Os automóveis podem ser classificados de diversas maneiras como apresentado a seguir 17 131 Classificação quanto à massa e ao tamanho do automóvel Uma das classificações mais utilizadas é quanto à massa e ao tamanho do automóvel No Brasil como há uma presença muito grande de montadoras europeias seguimos a classificação utilizada no mercado Europeu É fato que nem todos os veículos se encaixam exatamente nas diferentes classes portanto há caso de sobreposição entre elas As classes abaixo são válidas para carros SUVs e minivans A entradaminicarros Ex Fiat Mobi B pequenoscompactos Ex Chevrolet Onix C médios Ex VW Golf D grandes Ex Ford Fusion E executivos Ex BMW Série 5 F luxo Ex MercedesBenz Classe S J veículo utilitário esportivo SUV Ex Jeep Wrangler M veículo multiuso MPV minivans e pickups Ex Citroën Xsara Picasso S veículos esportivos Ex Porsche 911 132 Classificação quanto às silhuetas Outra classificação utilizada é quanto à forma do veículo como segue Fonte adaptado de Macey Wardle 2009 Figura 120 Diversas formas de veículos 18 133 Classificação quanto ao posicionamento e orientação do trem de força Esta classificação é menos utilizada no Brasil devido a quantidade reduzida de variantes existentes no nosso mercado A figura abaixo ilustra os diferentes posicionamentos e orientações do trem de força além de indicar onde está localizada a tração do veículo sendo TD para tração dianteira TI para tração integral TT para tração traseira e 4x4 para tração nas 4 rodas sob demanda Fonte adaptado de Macey Wardle 2009 Figura 121 Posicionamento e orientação do trem de força 19 Conclusão A partir desse bloco passamos a conhecer como os veículos são produzidos desde a primeira chapa metálica até a expedição dos veículos aos distribuidores Vimos como eles são complexos com milhares de peças e muitos sistemas assim como a manufatura Uma vez entendido como são produzidos poderemos detalhar cada um dos sistemas de modo a compreender então como eles são constituídos Vimos também algumas características gerais dos automóveis e como eles são classificados Tais conceitos são fundamentais para a compreensão da função e aplicação dos automóveis REFERÊNCIAS BERTOTI E Caracterização Dinâmica de uma Bancada Dinamométrica Veicular de Rolos Duplos Campinas Unicamp 2018 DONT HAVE A Leak What the Watertightness Tests for Skoda Cars Entail Skoda Storyboard 2020 Disponível em httpsbitly3zheMYf Acesso em 31 mar 2021 JAZAR R N Vehicle Dynamics Theory and Application 2 ed Australia Springer 2014 MACEY S WARDLE G HPoint The Fundamentals of Car Design Packaging 1 ed EUA Design Studio Press 2009 PIONEIRISMO 15 curiosidades sobre a Volkswagen que você precisa saber ÁpiaNet 2018 Disponível em httpsblogapianetcombrcuriosidadessobrea volkswagen Acesso em 26 mar 2021 PRODUCTION OF AUDI A3 Limousine Body shop Putting together the bodyinwhite Audi Media Center 2021 Disponível em httpswwwaudi mediacentercomenphotosalbumlocations189 Acesso em 9 abr 2021 20 PRODUCTION OF THE Audi A3 Limousine Assembly Marriage Putting together the bodyinwhite and the drive unit Audi Media Center 2021 Disponível em httpswwwaudimediacentercomenphotosalbumlocations189 Acesso em 09 abr 2021 STEP BY STEP Through Skodas Stateoftheart Paint Shop Skoda Storyboard 2019 Disponível em httpsbitly3hSnXIX Acesso em 27 mar 2021 VOLKSWAGEN ASSEMBLY LINE 2021 Production Line VW Plant Golf Tiguan Passat Beetle Polo Car Factories 2020 Disponível em httpsbitly3zgjy8o Acesso em 26 mar 2021 90 YEARS ON THE Production Line Skoda Storyboard 2019 Disponível em httpsbitly3kDgWxf Acesso em 27 abr 2021 21 2 ESTRUTURA VEICULAR E CARROCERIA Apresentação Este bloco irá abordar as diferentes estruturas dos veículos com o objetivo de compreender como é feita a seleção da estrutura que mais se adequa a uma determinada aplicação veicular A estrutura de um veículo é basicamente dividida em chassi e carroceria Existem diversos tipos de chassi disponíveis e eles serão apresentados a seguir Na sequência serão apresentadas as carrocerias e finalmente a acústica veicular será apresentada ao final deste bloco 21 Chassi O chassi funciona como um esqueleto que além de dar forma e proporção ao veículo serve de apoio para os principais sistemas conjuntos e componentes com o objetivo de transportar com segurança e conforto os passageiros e a carga útil BARTON 2018 O chassi é considerado o primeiro dos sistemas automotivos sendo o principal responsável pela segurança veicular passiva e contribuindo com o comportamento dinâmico rigidez do chassi e com a durabilidade do veículo Cabe a ele a responsabilidade pelos aspectos estruturais do conjunto chassicarroceria 211 Tipos de chassi Segundo Barton 2018 o chassi carrega todas as cargas aplicadas sejam elas próprias do veículo como a massa mais passageiros e carga útil ou sejam dinâmicas como translado rolamento e aerodinâmica Portanto o chassi deve ser resistente e rígido Veremos abaixo os diversos tipos de chassi utilizados atualmente no ramo automotivo 22 Perfis longitudinais Os primeiros automóveis foram produzidos com uma estrutura clássica de carroceria não estrutural sobre chassi estrutural como eram construídas as carruagens antes deles Essa estrutura permitiu que os automóveis fossem produzidos em larga escala com alta capacidade de carga e permitindo a utilização de uma grande gama de carrocerias diferentes As figuras a seguir ilustram a transferência de tecnologia das carruagens aos automóveis Fonte Morello 2013 Figuras 21 e 22 Carruagem de 1902 e automóvel de 1907 O chassi formado por perfis longitudinais tem a forma de uma escada também conhecido popularmente por caixão onde dois perfis habitualmente de aço são unidos por algumas barras transversais sejam elas perpendiculares aos perfis longitudinais ou de forma diagonal cruciforme Fonte AerMech 2014 Figura 23 Chassi com perfis longitudinais e barras transversais 23 Nessa configuração como a carroceria não exerce função estrutural o chassi deve ser muito resistente e rígido tornandoo muito pesado Adicionalmente possui desempenho inferior aos demais tipos de chassi em segurança e dinâmica Após a Segunda Guerra Mundial houve um esforço em desenvolver e produzir estruturas veiculares mais eficientes e leves limitando assim a aplicação desse tipo de chassi apenas aos caminhões ônibus e pickups uma vez que a montagem de diversas carrocerias ou implementos pode ser facilmente realizada Ademais como esses veículos possuem alta capacidade de carga a massa elevada desse chassi é menos influente no desempenho deles Monobloco O monobloco é de longe a estrutura veicular mais aplicada no mundo já há anos resultado de um extenso processo de desenvolvimento Assim como o nome sugere esta estrutura não apresenta um chassi separado de forma perceptível sendo uma estrutura unitária integral capaz de interagir com as cargas externas aplicadas fornecendo a rigidez necessária ao veículo BARTON 2018 Fonte Audi Media Center 2017 Figura 24 Típico chassi monobloco Assim como explicado no bloco 1 o monobloco é produzido a partir de componentes estruturais e chapas estampadas que são unidas até formar uma estrutura verdadeiramente 3D sendo significantemente mais leve graças a sua estrutura complexa e aos materiais com alta resistência às cargas de flexão e torção aplicados 24 Como são estruturas muito complexas reforçadas com materiais mais nobres e com montagem milimétrica feita por robôs apresentam custos elevados que só podem ser justificados se produzidas em grande escala Desta forma apenas grandes montadoras podem produzir veículos com tal solução uma vez que os custos de desenvolvimento de ferramentais e equipamentos além dos insumos de produção em si são muito impeditivos e só são retornados após um grande volume de produção Em contrapartida apresentam melhor qualidade devido à estabilidade e repetibilidade do processo automatizado Plataformas modulares O conceito de plataforma modular está baseado no compartilhamento de diversos componentes entre os diversos veículos de uma mesma plataforma com o objetivo de aumentar a escala de produção e a flexibilidade da linha de montagem de reduzir a sua complexidade e diversidade reduzindo assim os custos de desenvolvimento e de produção A primeira plataforma modular foi apresentada pela VW em 2015 após o início dos trabalhos de desenvolvimento três anos antes Essa plataforma chamada de MQB tratase de uma estratégia de racionalização e unificação de diversas plataformas de modo a aumentar o compartilhamento de sistemas e componentes entre os diversos veículos da mesma plataforma aumentando assim a escala de produção e reduzindo os custos de desenvolvimento e validação ou seja maior retorno sobre o investimento Um ganho colateral muito importante do ponto de vista da eficiência energética é a redução da massa do veículo Por exemplo o veículo lançador dessa plataforma foi o VW Golf Mk7 que em comparação com a geração anterior Mk6 teve uma redução de massa ligeiramente acima dos 100 kg apesar da implementação de novos sistemas e componentes 25 Fonte adaptado de Volkswagen Newsroom 2018 Figura 25 Plataforma modular MQB da VW O conceito básico desta plataforma foi de fixar a distância entre o eixo dianteiro e a parede corta fogo e permitir que as demais medidas dos diversos veículos pudessem ser variadas como a distância entre eixos e as projeções dianteira e traseira visando compartilhar os componentes destes segmentos Ela foi concebida para acomodar motores transversais para veículos de tração dianteira traseira ou integral propiciando a utilização em 10 configurações diferentes de carrocerias silhuetas para 11 marcas do grupo um grande feito de ganho de escala Tal estratégia de sucesso foi rapidamente reproduzida pela maioria das grandes montadoras atuais sem exceção Tubular O chassi tubular é uma forma alternativa de construção habitualmente aplicado em veículos foradesérie esportivos de competição ou até de passageiros de pequena escala nicho Esta estrutura também conhecida por estrutura espacial é construída com uma série de tubos ou perfis unidos entre si geralmente por solda posicionados de maneira triangular de modo que os seus membros suportem apenas cargas de tensão e compressão sem sofrer esforços de flexão ou torção em grau significativo BARTON 2018 Os membros principais do chassi são predominantemente de secção quadrada formando uma estrutura forte e rígida na qual os outros sistemas são fixados diretamente como trem de força suspensão direção e carroceria 26 Fonte Barton Fieldhouse 2018 Figura 26 Teste de torção de um chassi tubular São estruturas leves resistentes e versáteis de baixo custo permitindo a aplicação de diversos tipos de implementos ou carrocerias que podem ser metálicas ou de diversos tipos de fibra nesse caso conhecidas por bolhas sem qualquer função estrutural Monocoque O chassi monocoque é a evolução do chassi tubular e é aplicado em veículos superesportivos e veículos de competição como os da Fórmula 1 A sua construção é realizada com materiais nobres como aços de altíssima resistência ligas de alumínio e de titânio Kevlar e fibra de carbono conferindo leveza e resistência à estrutura Por utilizar elementos de maior tecnologia e desempenho ele possui menos componentes em sua estrutura e apresenta uma manufatura simplificada em relação aos demais chassis 27 Fonte adaptado de JSmith831 Flickr 2011 Figura 27 Chassi da Lamborghini Aventador LP 7004 O monocoque em si é uma estrutura à parte do restante do veículo formando uma célula de sobrevivência aos ocupantes que pode ser feita sob medida como no caso dos veículos de competição Ele possui uma excepcional segurança veicular passiva e é o chassi com o melhor comportamento dinâmico devido a uma enorme rigidez torcional Evidentemente este é o chassi mais caro de todos dado o uso de materiais nobres aliado a uma manufatura de alta tecnologia à necessidade de uma mão de obra especializada e escassa além da baixa escala de produção 22 Carroceria Assim como informado anteriormente a carroceria não exerce função estrutural quando montada na maioria dos tipos de chassi disponíveis A única exceção é o chassi monobloco onde a carroceria por ser fixada rigidamente ao chassi desempenha alguma função estrutural A principal função da carroceria é proteger o veículo seus passageiros e a carga útil dos elementos externos como clima e sujidades No entanto existem outras funções secundárias como possuir uma forma aerodinâmica para melhorar a eficiência energética menor força de arrasto e reduzir o ruído do ar que contorna o veículo em movimento e compor uma aparência e imagem atraentes para o veículo 28 Fonte Audi Media Center 2009 Figura 28 Interface entre a carroceria e um chassi monobloco Além dos painéis externos as carrocerias são formadas também pelos componentes móveis ou fechamentos como portas capô e portamalas Embora não exerçam função estrutural esses componentes são protagonistas na proteção contra colisões segurança veicular passiva e portanto podem ser reforçados com barras como as portas ou dotados de componentes de alta deformabilidade como o capô e o portamalas Fonte Kellermann 2009 Figura 29 Estrutura das portas e as barras de proteção lateral 29 23 Acústica O ruído é um fenômeno que está intimamente correlacionado com dois outros fenômenos a vibração e a aspereza O que os diferencia de uma maneira simplista é o seu alcance de frequência ou seja diversas bandas de frequências são atribuídas a fenômenos diferentes Assim para frequências superiores a 100 Hz a vibração é percebida pelos ouvidos humanos como ruído Neste momento nos interessa entender como o ruído se manifesta no veículo e o que pode ser feito para atenuálo Fonte adaptado de Morello 2011 Figura 210 Principais fontes de vibração e ruído e indicação das principais bandas de frequência utilizadas para classificar os fenômenos vibratórios A estrutura do veículo funciona como uma grande caixa acústica e pode amplificar os ruídos Segundo Morello 2011 níveis elevados de ruído tendem a reduzir o conforto aumentando a fadiga do motorista podendo assim impactar a segurança no longo prazo O ruído é percebido dentro dos ouvidos pelas variações de pressão do ar e pode entrar no interior do veículo pelas aberturas Adicionalmente a vibração dos painéis da carroceria causados pelo ruído externo pode produzir variações de pressão no interior do veículo gerando assim o ruído interno O ruído pode se propagar nos veículos de duas formas MORELLO 2011 30 Através da estrutura forças dinâmicas são transmitidas pelos diferentes sistemas do veículo à carroceria através dos pontos de fixação e interfaces estruturais induzindo vibrações à estrutura e aos painéis da carroceria Essas vibrações estruturais são transmitidas ao ar que circunda os ocupantes do veículo causando ruído Via aérea ondas de pressão do ar externo induzem vibrações nos painéis da carroceria que por sua vez induzem ondas de pressão dentro do veículo A vibração do motor por exemplo induz ondas de pressão no compartimento do motor e a vibração induzida nos painéis deste compartimento é transmitida para o interior do veículo na forma de ruído Em alguns casos a existência de uma comunicação direta de ar entre diferentes compartimentos permite uma via de propagação aérea Em todos os casos a fase final de propagação do ruído está no ar ao redor e dentro dos ouvidos dos ocupantes A grosso modo a frequência de propagação do ruído através da estrutura está posicionada abaixo de 500 Hz enquanto a propagação por via aérea se posiciona acima de 1000 Hz Para finalizar os diversos ruídos gerados no veículo são conhecidos por ruídos parasitas 231 Insulamento acústico O insulamento acústico existe para amortecer ou limitar as amplitudes de ressonância na estrutura seja nos painéis da carroceria ou no chassi Como já vimos anteriormente o ruído é uma fonte de incômodo aos ocupantes do veículo e portanto deve ser tratado Nós brasileiros somos particularmente mais sensíveis aos ruídos parasitas do que pessoas de outras nacionalidades assim veículos globais das montadoras têm que receber um insulamento acústico mais aprimorado no Brasil de modo a satisfazer o cliente local 31 A localização dos focos de ruído pode ser verificada numa câmara semianecoica ou anecoica através de testes de espectrografia acústica seja de componentes sistemas e até do veículo inteiro Uma vez localizados esses focos podese então aplicar os elementos de insulamento Fonte Frankonia 2021 Figura 211 Exemplo de uma câmara semianecoica Existem diversas soluções no mercado para o insulamento acústico veicular sendo cada solução adequada a uma aplicação diferente e visando amortecer uma banda de frequência específica Segue uma lista de possíveis tratamentos utilizados para amortecer os ruídos internos mantas insuladoras aplicadas no assoalho e no revestimento do teto fitas adesivas viscoelásticas coladas na estrutura do veículo espumas poliméricas espalhadas pelos vãos da estrutura deposição de espumas de poliuretano durante o processo de produção do chassi ilhós elastoméricos em orifícios ou barras amortecedores elastoméricos que agem como suspensões em conjuntos vibracionais como motor caixa de marchas e linha de escapamento 32 Conclusão Vimos neste bloco os diversos tipos de chassi suas características pontos fortes e fracos bem como as suas aplicações mais adequadas e pudemos entender a interface destes tipos de chassi com a carroceria Ela por sua vez faz o fechamento dos veículos de acordo com o tipo de chassi aplicado sem exercer função estrutural Outro ponto importante é a compreensão do ruído e suas manifestações de modo a poder tratálo da maneira adequada buscando trazer o conforto acústico aos ocupantes do veículo REFERÊNCIAS AUDI A8 2009 Audi Media Center 2009 Disponível em httpswwwaudi mediacentercomenphotosdetailaudia8200915737 Acesso em 9 abr 2021 BARTON D C FIELDHOUSE J D Automotive Chassis Engineering Reino Unido Springer 2018 CHASSIS AND FRAMES AerMech 2014 Disponível em httpsaermechcomchassis frames Acesso em 5 abr 2021 JSMITH831 Lamborghini Aventador LP 7004 chassis Flickr 2011 Disponível em httpswwwflickrcomphotosjsmith8316099339034 Acesso em 5 abr 2021 KELLERMANN H et al The Bodyshell as Lightweight Design Materials Mix ATZ Extra Alemanha 14 p 9295 jan2009 MODULAR TRANSVERSE MATRIX Volkswagen Newsroom 2018 Disponível em httpswwwvolkswagennewsroomcomenimagesalbumsmodulartransverse matrix2355 Acesso em 5 abr 2021 MORELLO L et al The Automotive Body Volume I Components Design Itália Springer 2011 33 MORELLO L et al The Automotive Body Volume II System Design Itália Springer 2011 SAC10V FULL VEHICLE Test Chamber per ECE R10 Frankonia 2021 Disponível em httpsfrankoniauscom Acesso em 10 abr 2021 THE NEW AUDI A8 Audi Media Center 2017 Disponível em httpswwwaudi mediacentercomenphotosdetailthenewaudia843936 Acesso em 9 abr 2021 34 3 SISTEMAS DE SEGURANÇA E CONFORTO Apresentação Serão apresentados neste bloco os diversos sistemas de segurança dos veículos bem como o sistema de conforto ou climatização do habitáculo A segurança veicular é um tema sensível e de muita importância não envolvendo apenas o veículo e seus ocupantes mas também terceiros e especialmente pedestres O sistema de climatização traz conforto térmico aos passageiros e ajuda a reduzir a fadiga do motorista que também se reflete em segurança 31 Segurança automotiva A segurança automotiva é o conjunto de estudos e práticas que visam minimizar a ocorrência e as consequências de uma colisão envolvendo veículos O primeiro estudo acadêmico formal com o objetivo de aperfeiçoar a segurança automotiva que se tem notícia hoje foi publicado em julho de 1950 pelo Laboratório Aeronáutico Cornell de Buffalo em Nova York EUA e chamava a atenção para a importância do uso dos cintos de segurança e a utilização de painéis acolchoados Entretanto a causa primária das mortes no trânsito é a desproporção entre a massa e a velocidade de um veículo em relação ao pedestre que tem 15 vezes mais probabilidade de morrer num acidente de trânsito do que os ocupantes de um veículo Apesar das evoluções das regulamentações e consequentemente da segurança dos veículos apenas 20 dos veículos vendidos no mundo atendem às principais normas de segurança de acordo com a Organização Mundial da Saúde OMS Dos 193 países apenas 40 adotaram o conjunto completo dos sete regulamentos mais importantes para a segurança automotiva Os aprimoramentos efetuados nos projetos de estradas e veículos reduziram de forma constante as taxas de lesões e mortes nos principais países desenvolvidos Ainda assim dos mortos por automóveis quase dois terços são pedestres 35 Existe uma tendência crescente em desenvolver veículos autônomos ponto a ser detalhado no último bloco e esperase que estes veículos sejam mais seguros do que os veículos existentes eliminando o elemento mais perigoso o motorista Segundo o The Center for Internet and Society da Stanford Law School 2013 cerca de noventa por cento dos acidentes com veículos motorizados são causados pelo menos em parte por erro humano Mas embora os padrões de segurança como o ISO 26262 especifiquem a segurança necessária ainda é um fardo para a indústria automotiva demonstrar segurança aceitável Os principais marcos do desenvolvimento da segurança automotiva são apresentados a seguir O primeiro registro oficial de um acidente data de 1801 A primeira fatalidade registrada ocorreu em 31 de agosto de 1869 na Irlanda Em 1922 o Duesenburg Modelo A foi o primeiro veículo a possuir freios hidráulicos nas quatro rodas Em 1930 o vidro de segurança tornouse padrão em todos os veículos da Ford Em 1934 a GM realizou o primeiro teste de colisão com barreira Em 1936 o Hudson Terraplane apresentou o primeiro sistema de freio reserva mecânico nas rodas traseiras caso os freios hidráulicos viessem a falhar Em 1937 diversos fabricantes automotivos americanos adicionaram itens como um painel liso e suave com controles embutidos maçanetas arredondadas um controle de limpador de parabrisa feito de borracha e o encosto do banco dianteiro fortemente acolchoado para fornecer proteção aos passageiros de trás Em 1947 o American Tucker foi construído com o primeiro painel acolchoado do mundo com um farol intermediário que girava com o volante uma antepara de aço dianteira e uma câmera de segurança dianteira 36 Em 1949 a SAAB incorporou o pensamento de segurança de aeronaves aos automóveis tornando o Saab 92 o primeiro veículo SAAB de produção com monobloco Também em 1949 o Chrysler Crown Imperial foi o primeiro veículo a vir com freios a disco padrão Em 1956 a Ford tentou sem sucesso despertar o interesse dos americanos na compra de veículos mais seguros com seu pacote de segurança salvavidas Em 1958 a Organização das Nações Unidas ONU estabeleceu o Fórum Mundial para Harmonização de Regulamentações de Veículos um organismo de padrões internacionais que promove a segurança automotiva muitas das inovações de segurança que mais salvam vidas como cintos de segurança e o monobloco foram lançadas no mercado sob suas manifestações Também em 1958 a Volvo inventou e patenteou o cinto de segurança de ombro e colo de três pontos que se tornou equipamento padrão em todos os veículos Volvo no ano seguinte Em 1959 a American Motors Corporation AMC ofereceu os primeiros apoios de cabeça opcionais para o banco dianteiro Também em 1959 o conceito Cadillac Cyclone apresentou um sistema de prevenção de colisões baseado em um radar localizado nos cones do nariz do veículo que emitiria sinais sonoros e visuais ao motorista se houvesse obstáculos no caminho A partir de 1964 todos os veículos novos americanos possuíam cintos de segurança dianteiros por efeito de lei Também em 1964 a Volvo desenvolveu a primeira cadeira infantil voltada para trás e lançou seu próprio assento elevatório em 1978 37 Em 1966 tornouse lei nos EUA um ato com os primeiros padrões de segurança federais obrigatórios para veículos motorizados obrigando a aplicação de painéis de instrumentos acolchoados cintos de segurança dianteiros e traseiros e lâmpadas brancas de ré Em 1968 todos os veículos novos americanos possuíam cintos de três pontos dianteiros luzes de marcação laterais colunas de direção dobráveis e outros recursos de segurança por efeito de lei Em 1969 foram adotados os apoios de cabeça dianteiros de modo a reduzir o efeito de chicotada da cabeça em colisões traseiras detalhado adiante Em 1974 a GM ofereceu airbags para motorista e passageiro como equipamento opcional em grandes Cadillacs Buicks e Oldsmobiles Em 1979 a National Highway Traffic Safety Administration NHTSA agência federal de segurança viária americana começou a testar veículos populares em colisões e a publicar os resultados para informar os consumidores e encorajar os fabricantes a melhorar a segurança de seus veículos Em 1986 a terceira luz de freio central se tornou obrigatória nos EUA sendo seguido por diversos outros países Em 1987 o Porsche 944 Turbo se tornou o primeiro veículo a ter airbags para o motorista e passageiro como equipamento padrão Em 1988 a Chrysler foi a primeira empresa americana a instalar airbags padrão do lado do motorista Em 1989 empresas em Israel implementaram sistemas de Alerta de Freio Avançado onde o motorista seria alertado sobre a força de frenagem do veículo à sua frente Em 1995 o Insurance Institute for Highway Safety IIHS organização americana sem fins lucrativos formada pelas seguradoras começou os testes de colisão com deslocamento frontal 38 Também em 1995 a Volvo apresentou o primeiro veículo do mundo com airbags laterais o 850 Em 1996 o Programa Europeu de Avaliação de Carros Novos Euro NCAP foi estabelecido para testar o desempenho de segurança de veículos novos e publicar os resultados para os possíveis compradores Em 2003 o IIHS começou a realizar testes de colisão de impacto lateral Em 2004 a NHTSA lançou novos testes projetados para testar o risco de capotamento de novos veículos e SUVs Em 2009 a Citroën se tornou o primeiro fabricante a apresentar o Snowmotion sistema antiderrapante inteligente que dá aos motoristas um nível de controle em condições extremas de gelo ou neve semelhante ao 4x4 Também em 2009 a NHTSA atualizou seu padrão de esmagamento de teto para veículos pesando 6000 libras 2720 kg ou menos aumentando o requisito de carga de esmagamento de 15 a 3 vezes a massa bruta do veículo A partir de 2011 os veículos novos passam a adotar um sistema de assistência à frenagem na União Europeia EU por efeito de lei a ser detalhado adiante A partir de 2012 todos os veículos com menos de 10000 libras 4540 kg vendidos nos EUA são obrigados a ter o controle eletrônico de estabilidade Em 2014 o Electronic Stability Control ESC controle eletrônico de estabilidade e o Tyre Pressure Monitoring System TPMS alerta de pressão dos pneus passaram a ser obrigatórios na UE assim como o lembrete do cinto de segurança do condutor e o sistema ISOFIX de fixação das cadeirinhas infantis Em 2016 o ABS tornouse obrigatório em motocicletas na EU Em 2018 o eCall sistema de chamada de segurança póscolisão tornouse obrigatório na EU Também em 2018 a câmera reversa tornouse obrigatória nos EUA 39 311 Segurança ativa A segurança ativa é usada para se referir às tecnologias que auxiliam na prevenção de um acidente isto é o conjunto de todas as medidas e meios disponibilizados ao motorista para garantir o controle do veículo como segue Controle da velocidade o trem de força aceleração e freio motor o sistema de frenagem Controle da trajetória o sistema de direção o suspensão o pneus Controle de visibilidade o área envidraçada espelhos retrovisores externos e interno o faróis refletores outras iluminações e sinais o sinalização de emergência Ex piscaalerta ligado numa frenagem de emergência 312 Segurança passiva A segurança passiva é usada para se referir aos componentes do veículo que ajudam a proteger os ocupantes durante uma colisão isto é o conjunto de todas as medidas e meios implementados para reduzir a gravidade das lesões corporais quando ocorre o acidente como segue Componentes de retenção o assentos e encostos de cabeça o cintos de segurança e sistema de prétensionamento dos cintos o bolsas infláveis airbags o ISOFIX e Top Tether para o ancoramento de cadeirinhas infantis 40 Absorvedores de impacto o parachoques o elementos deformáveis da carroceria e do chassi além da célula de sobrevivência do chassi estrutura veicular o painel de instrumentos e outros componentes emborrachados o vidros laminados permanecem em uma peça só e vidros temperados que se quebram em pequenos fragmentos dificilmente cortantes o coluna de direção desmontável o sistema de proteção ao pedestre 313 Segurança terciária A segurança terciária é usada para se referir a todos os meios que facilitam a intervenção dos serviços de emergência após o acidente como segue Notificação de colisão automática avançada Advanced Automatic Collision Notification AACN ou eCall pode fazer chamadas automaticamente para serviços de emergência e enviar informações sobre uma colisão de veículo inclusive com dados de telemetria e localização GPS Sistemas que facilitem a extração dos ocupantes acidentados como o destravamento automático das portas póscolisão 314 Regulamentação Como visto anteriormente a segurança automotiva só passou a ser aprimorada após as sanções das primeiras regulamentações para a segurança passiva Os EUA foi o primeiro país a testar veículos em colisão e publicar os resultados de modo a criar consciência nos possíveis compradores e proprietários além de pressionar indiretamente as montadoras Implementados em 1979 pela National Highway Traffic Safety Administration NHTSA agência federal de segurança viária americana estes testes passaram a ser realizados posteriormente na União Europeia UE apenas 1996 depois de décadas de discussões entre os países membros 41 Assim foi criado o Euro NCAP New Car Assessment Programme Programa de Avaliação de Carros Novos A metodologia NCAP logo foi adaptada a outros mercados gerando um desdobramento global US NCAP China NCAP e Latin NCAP todos ligados ao Global NCAP O Latin NCAP é o órgão que atualmente verifica de maneira independente e transparente os níveis de segurança dos veículos novos para a América Latina e o Caribe Ele utiliza a mesma metodologia dos demais órgãos NCAP internacionais atribuindo de 0 a 5 estrelas a proteção oferecida pelos veículos aos ocupantes adultos crianças e pedestres além de verificar os sistemas de assistência à segurança Logo um veículo de zero estrela é aquele no qual um de seus ocupantes poderia sofrer lesões fatais numa das configurações de batida avaliadas Contudo em um veículo de cinco estrelas sob mesmas condições de colisão os seus ocupantes têm uma probabilidade alta de não sofrer lesões graves ou permanentes Criado em 2010 ele avalia as versões básicas de cada modelo disponível no mercado pois eles são os mais baratos e sempre apresentam menos equipamentos de segurança Ele realiza testes de segurança passiva colisão segurança ativa frenagem autônoma de emergência controle eletrônico de estabilidade etc e avalia a proteção de pedestres em caso de colisão Uma lista com os veículos mais vendidos e seus respectivos volumes de vendas é compilada Assim membros do Latin NCAP verificam o volume de vendas nos países membros e seu índice de vendas per capita por país para com estas estatísticas selecionar os veículos a ser avaliados As montadoras são informadas dos testes e são convidadas a acompanhálos Elas podem também patrocinar tais testes fornecendo os veículos para avaliação Neste caso os veículos deverão ser dos modelos básicos de cada versão e são escolhidos pelos membros do Latin NCAP numa concessionária ou diretamente no pátio das montadoras A figura 31 apresenta os resultados mais recentes do Latin NCAP após a atualização dos protocolos de ensaios ocorrida em 2020 similar ao protocolo Euro NCAP de 2014 Na sequência é apresentada uma figura que ilustra os testes realizados faltando apenas o teste de chicote cervical whiplash e os de segurança ativa 42 Fonte adaptado de Latin NCAP 2021 Figura 31 Resultado de uma avaliação após a atualização dos protocolos de ensaios em 2020 43 Fonte adaptado de Dohmen 2011 Figura 32 Lista dos testes de segurança passiva e de proteção de pedestres 32 Sistemas de auxílio à condução Os sistemas de auxílio ou assistência à condução formam um subconjunto de sistemas de prevenção de colisões ou seja que ajudam o motorista a detectar obstáculos e controlar o veículo segurança ativa Dentre os diversos sistemas disponíveis seguem os mais importantes Sistema de detecção de alerta do motorista Driver Alertness Detection System DADS é o sistema que detecta a fadiga ou a falta de atenção do motorista ao trânsito e emite um aviso sonoro e visual ajudando a prevenir acidentes Sistema de précolisão ou de mitigação de colisão PreCrash System Collision Avoidance System CAS projetado para prevenir ou reduzir a gravidade de um acidente emite um aviso de colisão dianteira através do monitoramento da velocidade do veículo e do que está à sua frente e a distância entre eles para avisar o motorista sobre uma possível colisão Este sistema se utiliza de sensores radar às vezes laser LIDAR e câmeras para detectar um acidente iminente A detecção de pedestres também pode ser uma característica destes sistemas 44 Frenagem de emergência automática Autonomous Emergency Braking AEB trabalha em conjunto com o CAS e ao se aproximar de um veículo acima da velocidade deste e sem reação por parte do motorista aciona os freios automaticamente para minimizar a colisão Sistema de prétravamento automático Preventive Occupant Protection System ao detectar uma possível colisão este sistema comanda preventivamente o fechamento dos vidros e do teto solar além de prétensionar os cintos de segurança de modo a reduzir a gravidade de possíveis lesões Sistema de frenagem automática póscolisão Automatic PostCollision Braking System este sistema aciona os freios e o piscaalerta após uma colisão visando evitar uma segunda colisão sem o controle do motorista Sistema de visão noturna infravermelho ajuda a aumentar a distância de visão além do alcance do farol Faróis autoadaptativos controlam a direção e o alcance dos feixes dos faróis para iluminar o caminho do motorista nas curvas e maximizar a distância de visão sem cegar os outros motoristas Sensores de estacionamento alertam o motorista sobre objetos difíceis de ver em seu caminho durante as manobras Câmera de estacionamento traseira auxiliam nas manobras em ré Piloto automático adaptável Adaptive Cruise Control ACC é o sistema de controle de velocidade que ajusta automaticamente a velocidade para o veículo que vem a frente de modo a garantir uma distância segura utilizando um radar ou laser LIDAR Sistema de alerta de mudança de faixa Lane Departure Warning System LDWS alerta o motorista sobre uma mudança de faixa não intencional 45 Sistema de monitoramento de pressão dos pneus Tire Pressure Monitoring System TPMS monitora a correta pressão dos quatro pneus e alerta sobre a perda de pressão em um deles Sistema antibloqueio de frenagem Antilock Braking System ABS evita que os pneus travem e derrapem em uma frenagem de emergência Controle Eletrônico de Estabilidade Electronic Stability ControlProgram ESCESP este sistema trabalha em conjunto com o ABS e intervém nos freios e até no motor com o objetivo de evitar uma perda iminente de controle do veículo Controle de tração Traction Control System TCS trabalha em conjunto com o ESC de modo a restaurar a tração de rodas que comecem a girar em falso seja frenando seja cortando a aceleração ou o torque do motor Distribuição eletrônica da força de frenagem Electronic Brakeforce Distribution EBD trabalha em conjunto com o ABS distribuindo a força de frenagem entre as rodas com o objetivo de manter a trajetória do veículo Sistema de assistência à frenagem Brake Assist System BAS o sistema interpreta a velocidade e a força com que o pedal do freio é pressionado detecta se o motorista está tentando executar uma parada de emergência e se o pedal do freio não estiver totalmente acionado o sistema se sobrepõe e aplica totalmente os freios até o ABS assumir e impedir o travamento das rodas Controle de frenagem em curva ou vetorização de torque Cornering Brake Control CBC trabalha em conjunto com o ABS controlando a intensidade da frenagem em cada roda em curva Sistema de estacionamento automatizado realiza o estacionamento do veículo em vagas paralelas ou a 90 com o auxílio de sensores e de alguns comandos por parte do motorista 46 Alerta de ponto cego Blind Spot Monitor tratase de um sensor que detecta outros veículos localizados ao lado e na parte traseira emitindo um alerta ao motorista Alerta de tráfego cruzado Cross Traffic Alert os sensores de ponto cego também podem monitorar o tráfego que está se aproximando pelos lados na saída de uma vaga ou em um cruzamento emitindo um alerta ao motorista 33 Sistema de climatização O sistema de climatização é responsável pelo conforto térmico do habitáculo do veículo sendo constituído pelo aquecedor ventilador e arcondicionado Heating Ventilation Air Conditioning HVAC O aquecedor foi o primeiro dispositivo desenvolvido para trazer conforto térmico especialmente no inverno Inicialmente o ar se transferia do cofre do motor para o habitáculo utilizando um ventilador porém o ar emitia um odor desagradável gases do escape e vapor de combustível Mais tarde na década de 1940 um novo sistema foi desenvolvido e utilizava o líquido de arrefecimento do motor para aquecer o ar Em 1954 foi lançado o primeiro sistema de arcondicionado combinado com o aquecedor nos EUA e rapidamente começou a se espalhar pelo mundo Esse primeiro sistema apenas esfriava o ar para o habitáculo sendo que o gerenciamento e o controle climático dele só foram possíveis a partir da década de 1990 com os novos sistemas de climatização como conhecemos hoje A norma ISO 7730 define o conforto térmico como a condição mental que expressa satisfação pelo ambiente térmico onde um sujeito é exposto Logo o conforto térmico depende de uma série de parâmetros ambientais e não somente da temperatura do ar como a umidade do ar a radiação de energia temperatura das superfícies próximas e incidência solar e o movimento do ar velocidade Além disso ele relacionase diretamente com a percepção subjetiva do indivíduo responsável por avaliálo além das roupas vestidas A percepção térmica pode ser considerada como um sexto sentido usado por nós humanos para perceber o ambiente circundante 47 A zona de conforto média dos seres humanos varia da seguinte forma Temperatura de 23 a 27 C Umidade relativa do ar de 35 a 65 Fluxo de ar inferior a 025 ms 09 kmh Assim fora dela o conforto térmico fica prejudicado podendo se tornar um problema de segurança aos ocupantes do veículo seja por fadiga falta de atenção ou irritação por parte do motorista Portanto este sistema não deve ser menosprezado tampouco negligenciado 331 Funcionamento básico São apresentados a seguir os funcionamentos básicos de cada dispositivo do sistema Aquecedor como visto anteriormente o líquido de arrefecimento do motor passa pelo trocador de calor do HVAC de modo que o dosador de ar quente permita ou não a entrada deste ar aquecido no habitáculo Fonte adaptado de Fleckenstein 2008 Figura 33 Esquema de funcionamento do aquecedor 48 Arcondicionado o fluido refrigerante do sistema de arcondicionado circula em ambiente fechado passando pelo compressor que é acionado pelo motor é resfriado no condensador que se localiza atrás do radiador na frente do veículo tem a umidade reduzida no desidratador passa pelo regulador até chegar ao evaporador no módulo do HVAC de modo a resfriar o ar para o habitáculo e retornando ao compressor como esquematizado na figura 34 O compressor do arcondicionado é um grande consumidor de potência do motor em torno de 5 kW e provoca um consumo de combustível comparável àquele de um veículo rodando em alta velocidade com os vidros abertos Figura 34 Esquema de funcionamento do arcondicionado Fonte adaptado de Sebastian 2010 Figura 35 Disposição do sistema de arcondicionado no veículo 49 Distribuição de ar no habitáculo tanto o ar quente quanto o ar frio serão distribuídos no habitáculo No caso dos países frios o aquecimento tem suma importância no processo de degelo e desembaçamento do parabrisa Além do parabrisa o ar é distribuído nos difusores de ar do painel dos bancos traseiros e até para uma terceira fileira de bancos ou no teto no caso de veículos de luxo vans e grandes SUVs Fonte Sebastian 2010 Figura 36 Distribuição de ar no habitáculo Fonte Sebastian 2010 Figura 37 Detalhe da distribuição de ar no parabrisa análise CFD 50 Conclusão Estudamos neste bloco os diversos sistemas de segurança dos veículos ativos passivos e terciários bem como as regulamentações que promoveram os seus desenvolvimentos Na sequência vimos também o sistema de climatização do habitáculo seu funcionamento básico e os seus componentes podendo compreender os impactos do conforto térmico aos ocupantes do veículo REFERÊNCIAS DOHMEN F et al Audi Q3 Integral Safety ATZextra Worldwide Alemanha 16 7 96 103 jul 2011 FLECKENSTEIN K The new BMW 7 series Heating and Climatic Comfort ATZextra Alemanha 13 8 7883 nov 2008 LATIN NCAP para carros mais seguros Latin NCAP 2021 Disponível em httpswwwlatinncapcom Acesso em 20 abr 2021 SEBASTIAN K et al Audi A6 Thermal Management and Interior Climate Control ATZextra Worldwide Alemanha v 15 n 11 p 8291 set 2010 SMITH B W Human error as a cause of vehicle crashes The Center for Internet and Society Stanford Law School 2013 Disponível em httpcyberlawstanfordedublog201312humanerrorcausevehiclecrashes REFERÊNCIAS COMPLEMENTARES MORELLO L et al The Automotive Body Volume I Components Design Itália Springer 2011 MORELLO L et al The Automotive Body Volume II System Design Itália Springer 2011 51 4 TREM DE FORÇA Apresentação Conheceremos neste bloco os principais sistemas e componentes que formam o trem de força do veículo O trem de força tradicional é constituído pelo motor de combustão interna MCI que gera o trabalho útil movimento o sistema de escape parte quente e parte fria e o sistema de transmissão do movimento que é constituído por sua vez de diversos componentes responsáveis por transferir o movimento gerado pelo motor às rodas do veículo Veremos mais adiante no bloco 6 que atualmente existem outros componentes e configurações de trem de força no mercado principalmente relacionados com a eletrificação dos trens de força atuais e finalmente o trem de força elétrico 41 Motor de combustão interna1 Os motores são máquinas térmicas isto é são dispositivos que transformam calor Q em trabalho W Existem diversas fontes de calor disponíveis no caso dos motores o calor é obtido através da queima de um combustível ou seja a energia química do combustível é transformada em energia mecânica útil BRUNETTI 2012 Os MCIs são classificados em Motores alternativos o trabalho é obtido através do movimento linear de vaivém do pistão e transformado em rotação contínua pelo sistema bielamanivela São motores de combustão cíclica Motores rotativos o trabalho é obtido diretamente pelo movimento de rotação Exemplo motor Wankel combustão cíclica e turbina a gás combustão contínua Motores de impulso o trabalho é obtido pela propulsão empuxo gerada por gases expelidos em alta velocidade Exemplo motores a jato e foguete combustão contínua 1 Nota não iremos nos aprofundar nos MCIs neste bloco uma vez que a disciplina de Motores de Combustão Interna se encarregará de detalhálos 52 Os motores alternativos de maior aplicação no mercado serão o foco deste bloco 411 Componentes A figura a seguir ilustra os principais componentes de um MCI neste caso um motor do ciclo Diesel e a tabela na sequência identifica os seus componentes Fonte adaptado de BRUNETTI 2012 Figura 41 Principais componentes de um MCI do ciclo Diesel 1 Bomba de água 15 Bloco 29 Balancim da válvula de escape 2 Válvula termostática 16 Eixo comando de válvula 30 Coletor de escape 3 Compressor de ar 17 Volante 31 Pistão 4 Duto de admissão 18 Virabrequim 32 Motor de partida 5 Injetor de combustível 19 Capa do mancal 33 Dreno de água 6 Válvula de escape 20 Biela 34 Filtro de óleo 7 Coletor de admissão 21 Bujão do cárter de óleo 35 Radiador de óleo 8 Válvula de admissão 22 Bomba de óleo 36 Vareta do nível de óleo 9 Linha de combustível 23 Cárter 37 Bomba manual de combustível 10 Haste de válvula 24 Engrenagem do virabrequim 38 Bomba injetora de combustível 11 Duto de água 25 Amortecedor vibracional 39 Respiro do cárter 12 Tampa de válvula 26 Ventilador 40 Filtro de combustível 13 Cabeçote 27 Duto de admissão 14 Tampa lateral 28 Balancim da válvula de admissão 53 412 Classificações Segundo Brunetti 2012 os motores alternativos podem ser classificados de diversas maneiras Quanto à ignição A ignição calor é o processo que dá início à combustão isto é ela é o agente que provoca a reação do combustível com o oxigênio do ar comburente Os motores alternativos são divididos em dois tipos de ignição Motores de ignição por faísca MIF ciclo Otto a mistura arcombustível admitida previamente dosada ou formada no interior dos cilindros no caso dos motores com injeção direta de combustível é inflamada por uma faísca formada entre os eletrodos da vela de ignição Motores de ignição espontânea MIE ciclo Diesel o pistão comprime o ar até que ele atinja uma temperatura elevada e perto do ponto morto superior PMS o combustível é injetado reagindo espontaneamente com o oxigênio do ar aquecido sem a necessidade de uma faísca A temperatura de autoignição TAI é a temperatura do ar necessária para que haja a reação espontânea com o combustível A tabela abaixo apresenta valores típicos da TAI para diferentes combustíveis Temperatura de autoignição C Diesel Etanol hidratado Metanol Gasolina E22 250 420 478 400 Quanto ao número de tempos do ciclo de operação O ciclo é a sequência de processos periódicos sofridos pelo fluido ativo FA o ar no caso dos MCIs para obter a energia mecânica útil Os diversos tempos de um ciclo referemse ao curso do pistão Desta forma os motores alternativos MIFs ou MIEs são classificados em dois grupos de tempos 4T e 2T 54 Motores a quatro tempos 4T o pistão percorre quatro cursos ou duas voltas do virabrequim para completar um ciclo 1 Admissão o pistão deslocase do PMS ao ponto morto inferior PMI gerando uma depressão sucção que promove a entrada da mistura arcombustível ou só do ar no caso dos MIFs de injeção direta e MIEs através da válvula de admissão que está aberta 2 Compressão a válvula de admissão se fecha e o pistão deslocase do PMI ao PMS comprimindo a mistura arcombustível ou só o ar dependendo do tipo de motor 3 Expansão quando o pistão está próximo ao PMS a faísca provoca a ignição nos motores MIFs enquanto é injetado o combustível em meio ao ar quente nos motores MIEs iniciando a combustão que provoca o aumento da pressão no cilindro empurrando assim o pistão ao PMI de maneira que o FA sofra o processo de expansão A expansão é a responsável pelo trabalho útil do motor 4 Escape o pistão deslocase do PMI ao PMS com a válvula de escape aberta empurrando os gases queimados para fora do cilindro finalizando o ciclo Motores a dois tempos 2T de ignição por faísca o pistão percorre apenas dois cursos ou uma única volta do virabrequim para completar um ciclo Os processos que ocorrem no motor 4T também ocorrem da mesma maneira no motor 2T porém alguns destes processos se sobrepõem num mesmo curso 1 O ciclo se inicia com o pistão no PMS e a mistura arcombustível comprimida A combustão tem início com a faísca empurrando o pistão ao PMI Durante esse deslocamento o pistão comprime o conteúdo do cárter até o ponto no qual a janela de escape fica exposta e os gases queimados em alta pressão saiam do cilindro Na sequência o pistão expõe a janela de admissão comunicando o cárter pressurizado com o cilindro de modo que uma nova mistura entre Neste momento as janelas de admissão e escape estão abertas permitindo o fluxo de mistura nova ao escape chamado de curtocircuito Este problema pode ser reduzido com um projeto adequado de janelas aliado ao formato do topo do pistão 55 2 Durante o deslocamento do pistão do PMI ao PMS ocorre o fechamento das janelas de admissão e depois a de escape abrindo a passagem que devido a depressão sucção criada no cárter pelo movimento ascendente do pistão permite o preenchimento de mistura nova no cárter Nesse mesmo instante está ocorrendo a compressão da mistura previamente admitida no cilindro e com o aproximar do pistão ao PMS uma nova faísca inicia o próximo ciclo Nesse motor o trabalho útil ocorre a cada dois cursos do pistão ou uma volta do virabrequim Dessa maneira se esperaria que o motor produzisse o dobro da potência de um 4T a uma mesma rotação no entanto isso não ocorre devido a precariedade dos processos sobrepostos Outro ponto negativo é a lubrificação uma vez que o cárter é utilizado para a admissão da mistura arcombustível não permitindo a sua utilização como reservatório de lubrificante Assim ele é misturado ao combustível numa proporção de 120 1 litro de lubrificante para 20 litros de combustível e a lubrificação ocorre de maneira precária por aspersão diminuindo a durabilidade dos componentes e aumentando as emissões visto que o lubrificante é queimado junto ao combustível prejudicando a combustão Em contrapartida por não apresentar um sistema de válvulas o motor 2T é simples pequeno leve e barato quando comparado a um motor 4T de mesma potência Motores a dois tempos 2T de ignição espontânea o motor 2T do ciclo Diesel diferentemente do MIF 2T não utiliza o cárter para a admissão mas sim uma máquina auxiliar acionada pelo virabrequim A bomba de lavagem é um compressor volumétrico isto é um componente que expele os gases queimados ao introduzir uma grande quantidade de ar pelas janelas de admissão empurrandoos para fora Contudo uma parte destes gases fica retido no cilindro quando as válvulas fecham Ao se aproximar do PMS o pistão comprime fortemente estes gases retidos até a injeção do combustível que irá iniciar o processo de ignição espontânea gerando a pressão necessária expansão para a produção do trabalho útil Após a expansão no deslocamento do pistão ao PMI as janelas de admissão 56 são novamente expostas e a bomba faz a lavagem dos gases queimados proporcionando uma nova admissão fechando assim o ciclo Existem versões de MIE 2T com e sem válvulas de escape neste caso mais baratos com a utilização de janelas de escape Tabela 41 As principais diferenças dos motores 4T e 2T Diferenças 4T 2T Tempos x ciclo útil 2 voltas do virabrequim 1 volta do virabrequim Sistema mecânico Mais complexo Mais simples com a ausência de válvulas e eixo comando Admissão Boa Ruim com perda de mistura no escape e presença de lubrificante Lubrificação Boa Ruim com a presença de combustível Quanto ao ciclo de operação Mecanicamente não há diferenças relevantes entre os motores do ciclo Otto e Diesel a 4T a não ser pela maior robustez do motor Diesel devido à maior taxa de compressão e pressões envolvidas A seguir são apresentadas as principais diferenças Injeção de combustível nos MIFs geralmente a mistura é injetada já homogeneizada e dosada com exceção dos motores com injeção direta onde apenas o ar é admitido e a injeção ocorre diretamente dentro do cilindro Nos MIEs admitese somente o ar e o combustível é finalmente pulverizado no cilindro ao final da compressão Um sistema de injeção de alta pressão é o responsável por atomizar o combustível Ignição nos MIFs a ignição é dada por uma faísca oriunda de um sistema elétrico Nos MIEs a combustão ocorre espontaneamente por autoignição Taxa de compressão nos MIFs a taxa de compressão é baixa para evitar autoignição visto que o momento correto de ignição será dado pela faísca Nos MIEs em contrapartida a taxa de compressão deve ser alta de modo que o ar ultrapasse o TAI do combustível 57 Quanto ao sistema de alimentação de combustível A alimentação de combustível dos MIFs pode ser feita por um carburador ou por um sistema de injeção de combustível Embora o carburador ainda seja utilizado em aplicações de baixa potência sem as restrições de emissões impostas aos automóveis não iremos estudálo neste bloco A injeção de combustível é mais precisa contribuindo para uma combustão mais eficiente e com emissões reduzidas podendo ser realizada no duto de admissão Port Fuel Injection PFI ou diretamente no cilindro Gasoline Direct Injection GDI Como informado anteriormente a injeção de combustível nos motores MIEs é feita com um sistema de alta pressão em torno de 2000 bar de modo a atomizar o combustível dentro do cilindro durante a compressão Quanto à disposição dos cilindros Os cilindros dos motores podem estar dispostos de maneiras diferentes num motor como em linha em V oposto ou boxer e radial onde os cilindros estão dispostos radialmente em torno do virabrequim No Brasil a disposição mais comum é a linha com quatro cilindros Já nos EUA a disposição mais comum é a em V com seis ou oito cilindros Quanto ao sistema de arrefecimento Boa parte do trabalho gerado pela combustão é perdida em forma de atrito e calor que podem reduzir a durabilidade dos componentes caso não sejam tratados adequadamente O sistema de arrefecimento existe justamente para dissipar a temperatura nas áreas e componentes mais sensíveis do motor Basicamente existem dois sistemas de arrefecimento a ar que é mais simples porém é menos homogêneo e portanto menos eficiente e a água mais eficiente e contribui na redução do ruído do motor mas é muito mais complexo 58 Quanto ao comando de válvulas O eixo comando de válvulas é o componente responsável pela abertura e fechamento das válvulas Ele pode estar posicionado basicamente em duas regiões diferentes no motor No bloco do motor o eixo comando aciona tuchos que são ligados a hastes que por sua vez acionam os balancins no cabeçote abrindo ou fechando as válvulas Tratase de um sistema complexo e que permite folgas que impactam o desempenho do motor No cabeçote o eixo comando pode ser montado no cabeçote em duas configurações o eixo único que aciona balancins OverHead Camshaft OHC e o eixo duplo que acionam tuchos Double OverHead Camshaft DOHC sendo um sistema mais eficiente e com menos peças móveis Quanto à admissão de ar A quantidade de ar admitida por um motor irá determinar o seu desempenho pois quanto mais ar for admitido e retido no cilindro mais combustível poderá ser alimentado aumentando assim a eficiência para uma mesma rotação Para isto existem dois sistemas Naturalmente aspirado pressão negativa neste sistema o fluxo de ar para o cilindro na admissão ocorre devido a depressão sucção criada pelo movimento do pistão do PMS ao PMI onde a pressão do coletor pressão atmosférica é maior do que a pressão no cilindro pressão negativa Nesse caso o gradiente de pressão é limitado pela pressão de admissão que será no máximo a pressão atmosférica Sobrealimentado pressão positiva visando aumentar o gradiente de pressão de modo a admitir mais ar foram desenvolvidos sistemas com dispositivos que aumentam a pressão no coletor de admissão acima da atmosférica No geral existem dois sistemas de sobrealimentação 59 1 turbocompressor os gases de escape giram a turbina que transfere este trabalho ao compressor que por sua vez comprime o ar aumentando assim a pressão de admissão 2 compressor mecânico um compressor é acionado mecanicamente pelo motor e comprime o ar de admissão No caso dos motores sobrealimentados a compressão do ar provoca o aumento da sua temperatura reduzindo a sua massa específica densidade e portanto reduzindo a eficiência da combustão Com o objetivo de minimizar este efeito foram desenvolvidos trocadores de calor que são posicionados depois do compressor podendo ser eles arar onde o ar que passa pelo veículo refrigera o ar de admissão ou arágua onde o fluido de arrefecimento do motor refrigera o ar de admissão Quanto à relação diâmetrocurso do pistão Segundo Martins 2016 ao se tratar das características de um motor habitualmente se menciona o diâmetro do cilindro D seguido pelo curso S da seguinte forma D x S Exemplo 825 x 928 mm Assim num MCI o curso pode ser maior ou menor que o diâmetro No entanto a relação diâmetrocurso apresenta uma razão de compromisso que deve ser observada ao diminuir o curso reduzse a velocidade linear do pistão e aumentase a velocidade angular do virabrequim para uma mesma rotação adicionalmente um motor com diâmetro maior dispõe de mais espaço para o desenho da câmara de combustão e posicionamento das válvulas bem como permite válvulas de diâmetro maiores que favorecem o enchimento e o escape dos gases contudo motores com diâmetro excessivos apresentam perdas de compressão pior queima da mistura arcombustível e elevadas perdas térmicas Existem três relações de diâmetrocurso para classificar os MCIs superquadrado DS são motores que apresentam torque e potência em altas rotações quadrado DS são motores com bom desempenho em todas as faixas de rotação e subquadrado DS são motores que apresentam torque e potência em baixas rotações 60 Quanto à rotação Os MCIs podem ser classificados em Lentos n 600 rpm Médios 600 n 1500 rpm Rápidos n 1500 rpm Os MIFs tendem a ser motores rápidos Já os MIEs quando aplicados industrialmente ou em navios são lentos e médios e quando aplicados em veículos de passageiros ou veículos comerciais são rápidos Quanto à fase do combustível Os MCIs podem ser classificados quanto à fase do combustível que utilizam líquida como a gasolina o etanol ou o óleo Diesel e gasosa como o gás natural veicular GNV Quanto à potência específica As novas e restritivas regulamentações para as emissões veiculares vêm forçando as montadoras a investir pesado no desenvolvimento de MCIs mais eficientes Esses novos motores apresentam aumento de torque e potência para uma mesma cilindrada habitualmente com o uso da sobrealimentação ou uma redução da cilindrada para uma mesma potência ou ainda a redução de cilindros MCIs mais eficientes são os que consomem menos combustível e consequentemente que emitem menos poluentes para um mesmo trabalho Isso é possível em razão da redução das perdas por bombeamento do motor devido ao menor volume deslocado pelos pistões a cada rotação do motor e a maior pressão no cilindro do maior aproveitamento térmico no trabalho de expansão dada uma menor transferência de calor devido à redução da área de superfície interna e da redução das perdas por atrito seja pelo tratamento de baixo atrito de alguns componentes seja pela dimensão menor dos componentes do motor 61 O MCI vem sendo otimizado passo a passo desde a sua invenção conforme novas tecnologias foram sendo desenvolvidas e a principal otimização é a redução dos deslocamentos volumétricos com o passar do tempo A diminuição da cilindrada não é nova mas foi só recentemente que o termo downsizing foi cunhado para denominar essa evolução que agregava algumas soluções técnicas que proporcionavam aumento de eficiência permitindo assim o aumento do torque e da potência enquanto havia a redução da cilindrada e do consumo de combustível Dentre estas soluções podemos listar a câmara de combustão multiválvula mais de uma válvula de admissão e escape para melhor enchimento e escape o eixo comando de válvulas variável na admissão eou escape sobrealimentação injeção direta de combustível tratamentos para a redução de atrito etc 413 Aplicações dos motores alternativos Segundo Brunetti 2012 a escolha de um MCI para uma determinada aplicação é importante para garantir a melhor eficiência a ela Entretanto outras características dos motores devem ser observadas como volume massa ruído vibrações consumo de combustível emissões potência máxima durabilidade robustez confiabilidade facilidade de manutenção custo operacional etc Muitas vezes pode haver mais de uma possível solução a uma aplicação e caberá à montadora aportar o seu conhecimento ou estratégia para definir a melhor solução Os MIFs a 4T possuem uma baixa relação massapotência ou volumepotência além de possuir um funcionamento suave em todas as faixas de rotação baixo custo inicial e baixa complexidade São mais adequados aos veículos de passageiros e podem ainda ser utilizados em pequenos veículos comerciais empilhadeiras aplicações estacionárias geradores pequenas embarcações esportivas e pequenos aviões Os MIFs a 2T possuem custo inicial inferior aos a 4T porém trazem elevado consumo de combustível específico e baixa durabilidade dos componentes devido à lubrificação precária o que os tornam mais caros no longo prazo Logo eles se limitam a aplicações de baixa potência Ademais são motores poluentes ruidosos e instáveis em algumas faixas de rotação aplicados a pequenas motocicletas pequenas embarcações aplicações estacionárias geradores cortadores de grama motosserras etc 62 Os MIEs caracterizamse por uma elevada eficiência térmica porém apresentam um custo inicial elevado e funcionamento pouco suave Possuem durabilidade robustez e confiabilidade elevados além do baixo custo operacional Existem aplicações com potência superior a 30000 cv sendo que acima de 4000 cv geralmente são MIEs a 2T visto que não possuem as mesmas desvantagens dos MIFs a 2T São habitualmente aplicados nos veículos comerciais ônibus navios locomotivas tratores máquinas de construção civil aplicações estacionárias geradores e veículos de passageiros em alguns países com pesadas regulamentações de emissão 42 Sistema de escape Não importa qual o tipo de MCI escolhido para uma determinada aplicação todos necessitam de um sistema de escape Este sistema tem por objetivo coletar os gases queimados da combustão tratálos devido as regulamentações emissões e conduzi los ao meio ambiente Suas principais funções são Reduzir o ruído gerado pelo motor Provocar a mínima perda de potência do motor Atender requisitos técnicos da aplicação como nível de vibração durabilidade etc Apresentar geometria externa compacta Possuir baixo custo Entretanto de modo a cumprir suas funções e ainda ser um sistema eficiente existem algumas características construtivas e efeitos que devem ser tratados como segue Contrapressão de escape no desempenho do motor os gases queimados começam a sair da câmara de combustão ao abrir das válvulas de escape 80 do volume e na sequência são expulsos pelo pistão 20 No entanto o percurso destes gases até a ponteira do escape impõe uma contrapressão a eles impactando a eficiência e a potência do motor uma vez que expulsar os gases demanda trabalho adicional do motor compressão Ademais quanto mais difícil for expulsar os gases maior será a fração de gases residuais no cilindro diminuindo assim a eficiência volumétrica do motor 63 O efeito dinâmico dos gases no coletor de escape e estratégias de cruzamento de válvulas quando há a abertura das válvulas de admissão antes do total fechamento das válvulas de escape também impactam a contrapressão total do sistema Portanto o sistema de escape deve ser projetado para apresentar a menor contrapressão possível impondo restrições mínimas ao escoamento dos gases aplicando curvas suaves contornos arredondados e menores restrições sempre que possível Comportamento dinâmico dos gases no coletor o escape de vários cilindros num mesmo coletor de escape pode causar interferência dos gases onde o próximo fluxo de escape chega ao coletor antes que o fluxo anterior tenha completamente sido descarregado no sistema principalmente em momentos críticos como no cruzamento de válvulas onde o volume de gases ao escape é maior pela lavagem adicional realizada pelo ar de admissão aumentando a contrapressão no coletor Logo idealmente os dutos do coletor devem ser separados para cada cilindro em função da ordem de ignição depois reagrupados parcialmente e totalmente ou apenas totalmente em um único tubo a alguma distância do cabeçote para permitir que os gases tenham liberdade para escoar sem encontrar um fluxo anterior à frente Sintonia dos tubos de escape para efeitos dinâmicos o tubo de escape de um cilindro se comporta como um tubo de órgão fechado numa extremidade Assim o trabalho de sintonia dos tubos de escape pode gerar um aumento de potência de até 30 em motores maiores e sobrealimentados sendo menos importantes em motores aspirados de quatro cilindros mas não negligenciáveis Atenuação de ruído basicamente existem duas fontes de ruído num MCI o ruído da combustão e dos componentes móveis da câmara de combustão fontes primárias e o ruído do escoamento turbulento dos gases de escape fontes secundárias Dessa forma do ponto de vista da acústica o sistema de escape é uma sequência de elementos conectados por tubos de modo a 64 atenuar o ruído proveniente do motor Dentre os componentes utilizados para esta atenuação podemos listar o silencioso traseiro câmaras de expansão no circuito ressonadores tubo de ¼ de comprimento de onda materiais de absorção acústica etc 421 Componentes O sistema de escape é composto por diversos componentes como apresentado a seguir Vale notar que a linha de escape é conhecida por parte quente do coletor de escape ao conversor catalítico e parte fria do conversor catalítico para frente Coletor de escape é o responsável por coletar os gases queimados na combustão e direcionálos à linha de escape Sonda de oxigênio ou lambda sensor eletrônico que mede a proporção de oxigênio O2 nos gases de escape de modo que a unidade de controle do motor Engine Control Unit ECU possa calcular a estequiometria da mistura queimada e ajustar a combustão Conversor catalítico catalisador dispositivo de controle de emissões que transforma os gases tóxicos e poluentes em gases menos tóxicos catalisando uma reação de oxidação e redução Elementos de desacoplamento são elementos flexíveis que permitem a ligação da parte quente do escape móvel com a parte fria fixa Filtro de partículas dispositivo de filtragem das partículas de fuligem dos motores Diesel Suporte do escape suportes de borracha do escape que ajudam a reduzir o ruído e a vibração da linha Silencioso dispositivo para reduzir o ruído emitido pelo escape 65 Fonte adaptado de Audi Media Center 2020 Figura 42 Detalhe da parte quente do escape Fonte adaptado de Eickstädt 2011 Figura 43 Detalhe da parte fria do escape 66 422 Póstratamento dos gases de escape Parte do trabalho de redução das emissões está diretamente relacionado com a combustão isto é como a combustão será definida desenhadaprojetada e as condições de contorno como o desenho da câmara de combustão tipo e localização da vela nos MIFs tipo e localização da alimentação do combustível a quantidade de válvulas por cilindro e o controle do motor pela ECU baseado nos sinais dos inúmeros sensores espalhados pelo motor e escape Entretanto mesmo com as tecnologias disponíveis essa redução não atende as regulamentações de emissões cada vez mais restritivas que acabaram por impor a necessidade pelo desenvolvimento de sistemas e dispositivos adicionais para o póstratamento dos gases de escape Dentre estes sistemas e dispositivos os mais importantes são Conversor catalítico catalisador sua patente data de 1909 mas só foi aplicado obrigatoriamente a partir da década de 1990 O conversor catalítico é um dispositivo catalisador dos gases queimados na combustão que tem por objetivo reduzir esses gases tornandoos menos tóxicos O catalisador em si é um monólito de cerâmica com estrutura em favo de mel de secção quadrada e não hexagonal que possui metais preciosos platina paládio e ródio impregnados em sua superfície por imersão banho Assim um catalisador de 15 l possui uma área de superfície de aproximadamente 25000 m2 Logo os gases passam por ele e são catalisados numa temperatura em torno de 700 C Eles podem ser de o 2 vias aplicado nos MIEs onde a platina e o paládio oxidam o monóxido de carbono CO e os hidrocarbonetos HC não queimados transformandoos em água H2O e dióxido de carbono CO2 o 3 vias aplicado nos MIFs possuem o mesmo processo do de 2 vias mais o processo de redução dos óxidos de nitrogênio NOx pelo ródio transformandoos em nitrogênio N2 67 Fonte Brunetti 2012 Figura 44 Catalisador de 3 vias Recirculação dos gases de escape Exhaust Gas Recirculation EGR é um sistema utilizado para reduzir as emissões de NOx na câmara de combustão e a sua concentração depende da temperatura e da riqueza da mistura O CO2 resultante da combustão e presente nos gases de escape é injetado no duto de admissão recirculado de modo a reduzir a temperatura da chama O volume de gás recirculado é limitado em algumas condições de uso do motor pois atrapalha a estabilidade da chama e reduz a qualidade da combustão impactando o consumo de combustível Fonte adaptado de Audi Media Center 2020 Figura 45 Sistema de recirculação dos gases de escape 68 Filtro de partículas o material particulado fuligem que compõe a fumaça visível no escape é uma das mais significativas emissões dos MIEs Este material particulado é constituído basicamente de carbono formado na combustão que acaba por absorver outros compostos orgânicos dependendo das condições da câmara de combustão O filtro de partículas foi desenvolvido para reduzir a emissão desses particulados e ele é constituído por um substrato de cerâmica porosa que retém o particulado dos gases de escape A sua limpeza é feita por oxidação do particulado acumulado com o próprio funcionamento do motor quando a contrapressão do sistema aumenta Estes filtros são capazes de reduzir a emissão dos particulados em até 70 Fonte adaptado de Audi Media Center 2020 Figura 46 Trajetória das partículas num filtro de partículas Redução catalítica seletiva Selective Catalytic Reduction SCR os MIEs emitem uma quantidade maior de NOx que os MIFs devido ao seu princípio de combustão com excesso de ar mistura pobre Ele não pode ser reduzido nos catalisadores convencionais de 3 vias dos MIFs devido justamente à sua grande quantidade Assim habitualmente temse um catalisador 2 vias um injetor de uma solução aquosa de ureia a 32 chamada no Brasil de ARLA 32 e um segundo catalisador SCR onde haverá a redução do NOx com a ureia transformandoo em N2 além do CO2 e H2O dos demais gases 69 A figura a seguir apresenta um exemplo de uma aplicação mais recente que utiliza dois injetores de ureia um antes do filtro de partícula e outro antes do catalisador SCR Fonte adaptado de Audi Media Center 2020 Figura 47 Sistema de redução catalítica seletiva 423 Diagnose Um ponto fundamental para o controle das emissões é haver um sistema de diagnose no veículo que permita medir a constituição dos gases de escape de modo que a ECU possa ajustar a mistura e a combustão Este sistema de diagnose deve ainda permitir uma conexão externa de tal maneira que os parâmetros da combustão o correto funcionamento do sistema e a análise de falhas que possam ter ocorrido anteriormente possam ser verificados e gravados Tal sistema conhecido mundialmente por OnBoard Diagnosis OBD é chamado no Brasil de OBDBr1 ou OBDBr2 dependendo do nível de emissões O nosso protocolo de diagnose é baseado no protocolo europeu o European OnBoard Diagnosis EOBD Como mencionado anteriormente a ECU se utiliza dos sinais de diversos sensores espalhados pelo motor e pelo sistema de escape para poder ajustar a combustão No entanto o principal sinal para as emissões e portanto para a diagnose vem da sonda de oxigênio Como seu próprio nome indica essa sonda mede a quantidade de oxigênio nos gases de escape para verificar a estequiometria da mistura de forma a ajustála adequadamente à condição do motor A variação da tensão emitida à ECU é que comunica a quantidade de oxigênio medido 70 Essa sonda deve trabalhar a quente por isso seu posicionamento é muito importante para a sua eficiência Logo imaginase que a sua eficiência a frio não seja ótima sendo um problema para o controle das emissões a frio portanto é interessante que ela aqueça o mais rápido possível Atualmente os motores trabalham com duas sondas uma antes e outra após o catalisador Esse sistema em circuito fechado closed loop garante uma redução das emissões dos MIFs da ordem de 90 ajudandoos a atender os limites atuais de emissões Fonte Brunetti 2012 Figura 48 Corte transversal de uma sonda de oxigênio 424 Regulamentação Os limites de emissões e os procedimentos de testes de um país são adotados de maneiras diferentes de modo a serem representativos à sua realidade seja para a verificação da frota em circulação seja para a homologação de veículos novos As regulamentações da maioria dos países são baseadas nas normas americanas ou nas normas da UE apresentando variações nos limites de emissões e datas de vigência como é o caso do Brasil que se baseia na norma americana 71 O Ministério do Meio Ambiente através do Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis IBAMA define as diretrizes e aplicabilidades da regulamentação das emissões veiculares O Programa de Controle da Poluição do Ar por Veículos Automotores PROCONVE e o Programa de Controle da Poluição do Ar por Motociclos e Veículos Similares PROMOT instituídos respectivamente em 1986 e 2003 possuem as definições e as referências técnicas a serem empregadas para a homologação e a certificação de veículos incluindo os procedimentos mandatórios para a execução dos testes Os testes para a certificação dos motores são separados em função de sua aplicação que vai definir se o objeto dos testes será o veículo ou o motor separadamente Os veículos leves são testados em dinamômetros de chassi de rolo enquanto os veículos pesados dada a dificuldade em se testar todos os modelos diferentes que utilizam um mesmo motor e a dificuldade em simular o seu ciclo de trabalho tem os seus motores testados em dinamômetros de motor Fonte Skoda Storyboard 2018 Figura 49 Teste de emissões em um dinamômetro de chassi 72 Fonte Skoda Storyboard 2018 Figura 410 Teste de emissões em um dinamômetro de motor Os ciclos de teste são definidos pelas regulamentações tanto para veículos quanto para motores e visam simular a utilização média dos condutores de um país geralmente atribuindo a maior parte do ciclo a uma utilização urbana e a outra rodoviária Os veículos e os motores têm as suas emissões medidas em tempo real durante os ciclos de teste para garantir que eles atendem os limites de emissões estabelecidos nas leis Existem diversos ciclos de teste de emissões no mundo sendo os mais relevantes o Federal Test Procedure 75 FTP75 dos EUA utilizado por nós no Brasil o New European Driving Cycle NEDC que era aplicado na Europa sendo este substituído pelo World Light Test Procedure WLTP Contudo todos estes ciclos de teste são muito criticados por não representar os resultados na vida real e principalmente porque algumas montadoras desenvolveram artifícios para modificar os resultados em seu favor como rodar com pneus com sobrepressão ajustar ou remover os freios para reduzir o atrito vedar reentrâncias do veículo para melhorar a aerodinâmica sendo que em alguns casos absurdos podem remover retrovisores ou desenvolver programas eletrônicos para a ECU compreender que está em ciclo de teste e modificar os mapas de calibração para atender os limites de emissões veja o caso Dieselgate 73 Desta forma desde setembro de 2018 estão sendo aplicados na Europa os ciclos de teste WLTP em dinamômetro e Real Driving Emissions RDE em condições reais de trânsito Neste último o sistema de análise das emissões é acoplado ao veículo para a medição das emissões em tempo real Fonte Skoda Storyboard 2018 Figura 411 Teste de emissões em condições reais de trânsito 43 Transmissão O sistema de transmissão não se refere apenas à caixa de velocidades mas sim a todo o sistema responsável por transmitir o movimento do motor às rodas do veículo Essa transmissão pode ocorrer nas rodas dianteiras tração dianteira nas traseiras tração traseira nas quatros rodas de maneira permanente tração integral ou nas quatro rodas com redução de rotação e bloqueio de diferencial 4x4 Diversos sistemas e componentes compõem o sistema de transmissão como são apresentados a seguir 431 Caixa de velocidades A caixa de velocidades também chamada de caixa de marchas caixa de câmbio ou caixa de transmissão é basicamente um multiplicador de torque eou rotação do motor Suas principais funções são 74 permitir que o veículo permaneça imobilizado quando o motor estiver funcionando ponto morto ou neutro permitir uma partida suave e progressiva moverse sob condições difíceis multiplicar ou reduzir o torque e a velocidade das rodas atingir a velocidade máxima permitir duas direções de viagem para frente e para trás otimizar a faixa de operação do motor zona de menor consumo específico de combustível A caixa de velocidades é necessária para adequar a ampla faixa de rotações do motor de 600 a 7000 rpm nos MIFs e de 600 a 5000 nos MIEs neste caso depende da aplicação do motor podendo apresentar uma faixa mais reduzida ainda às rotações limitadas das rodas de 0 a 1800 rpm Além disso o pico de torque e o pico de potência do motor ocorrem de maneira desigual cada um num momento ou rotação diferente havendo uma faixa de torque e outra de potência para as rotações do motor conforme a figura 412 Geralmente o torque é necessário para tirar o veículo do repouso e a potência é necessária para altas velocidades uma vez que em baixas velocidades a aceleração é limitada pela inércia da massa bruta do veículo enquanto em velocidades altas ou de cruzeiro a resistência do ar arrasto aerodinâmico é quem limita a aceleração Portanto se faz necessário o uso de relações de marchas para garantir que o maior torque esteja disponível em baixas velocidades e a maior potência em médias e altas velocidades 75 Fonte adaptado de Naunheimer 2014 Figura 412 Curva característica do motor em plena carga Funcionamento básico A caixa de velocidade possui três possíveis configurações internas quanto aos pares de engrenagens chamadas estágios isto é cada estágio se refere a um par de engrenagem ou ao fluxo de transmissão de potência de uma engrenagem à outra A figura abaixo apresenta projetos de caixas de quatro marchas com contraeixo eixo intermediário Caixa de marchas com contraeixo se refere a uma caixa de marchas com um eixo de entrada ligado ao motor um eixo de saída para as rodas e um contraeixo funcionando em posição fixa na caixa ou seja conjuntos de engrenagens com eixos fixos Fonte adaptado de Naunheimer 2014 Figura 413 Configurações dos estágios de relação 76 Assim no caso das caixas de marcha com único estágio o eixo de saída é o contraeixo chamada de caixa de contraeixo reduzida As caixas de único estágio são aplicadas principalmente nos veículos de tração dianteira já que não requerem transmissão coaxial do fluxo de potência No caso de veículos com motores e caixas de marchas longitudinais com tração traseira a caixa com contraeixo de duplo estágio apresenta eixo de entrada coaxial ao eixo de saída sendo amplamente aplicada Já as caixas de múltiplo estágio mais do que dois também são aplicadas em veículos com tração dianteira e o número de estágios que possuem depende do número total de engrenagens Essa configuração permite reduzir o tamanho da caixa de marchas sendo aplicada também em veículos comerciais Ao acionar a manopla de câmbio o garfo seletor se move para engatar a marcha selecionada No entanto a rotação das engrenagens certamente não é a mesma do eixo a ser acoplado logo utilizamse sincronizadores movimentados pelo garfo seletor que irão sincronizar a rotação das engrenagens com o eixo antes do toque entre os dentes das engrenagens facilitando a troca de marcha diminuindo a pressão entre os dentes das engrenagens aumentando a durabilidade do conjunto Fonte How Stuff Works 2021 Figura 414 Detalhe de um caixa de 5 marchas e do sistema de sincronização de marchas 77 A seguinte figura apresenta curvas típicas de uma caixa de marchas a primeira é a curva de tração pela velocidade com o escalonamento das marchas e a segunda a curva de rotação do motor pela velocidade dente de serra com o escalonamento das marchas com passo progressivo Fonte adaptado de Naunheimer 2014 Figura 415 Gráficos de tração e rotação do motor pela velocidade Tipos de caixas de velocidade Existem basicamente três grupos de caixas de velocidade Caixa manual de múltiplas relações o condutor troca as marchas manualmente São as caixas de maior aplicação no mercado por apresentar custos de produção e manutenção menos elevados Elas podem ser de engrenamento a deslizante b constante c sincronizado d de conversor de torque com embreagem acoplada e ou automatizadas robotizadas 78 Fonte adaptado de Naunheimer 2014 Figura 416 Diferentes tipos de caixa manuais de múltiplas relações Caixa automática de múltiplas relações as trocas de marcha são realizadas de modo automático conforme a rotação e a carga do motor eou do veículo as condições climáticas e o pavimento através de um sistema hidráulico comandado por válvulas solenoides acionadas por uma central de controle Essas caixas embora amplamente aplicadas possuem custos mais elevados e podem gerar um maior consumo de combustível em comparação com as caixas manuais Elas podem ser de a contraeixo b convencionais ou c de dupla embreagem chamada por Dual Clutch Transmission DCT Fonte adaptado de Naunheimer 2014 Figura 417 Diferentes tipos de caixas automáticas de múltiplas relações Caixas continuamente variáveis são caixas automáticas entretanto as suas relações são alteradas continuamente de modo a manter uma melhor relação entre a tração e o consumo de combustível Elas vêm sendo aplicadas cada vez mais por ter um custo similar ao das caixas automáticas mas o seu consumo de combustível chega a ser inferior ao das caixas manuais Elas podem ser 79 a hidrostáticas com divisão de potência b continuamente variáveis por discos móveis em cunha e uma correia metálica chamada por Continuously Variable Transmission CVT ou c por discos de fricção chamada por Toroidal Fonte adaptado de Naunheimer 2014 Figura 418 Diferentes tipos de caixas continuamente variáveis 432 Diferencial A parte final da transmissão dos veículos é feita com a utilização de um diferencial A escolha do tipo de diferencial a aplicar depende da disposição do trem de força e da determinação do eixo trator Logo a um veículo com motor dianteiro transversal e tração dianteira usará um diferencial paralelo à caixa de marchas Entretanto b um veículo com motor dianteiro longitudinal e tração traseira usará um diferencial no eixo traseiro conectado à caixa de marchas por um eixo de transmissão Fonte adaptado de Naunheimer 2014 Figura 419 Posições mais comuns do trem de força nos veículos de passeio 80 A principal função do diferencial é transmitir o torque e a rotação da caixa de marchas aos semieixos e às rodas reduzindo a velocidade de rotação Assim sendo quanto mais longa for a sua relação menor será o consumo de combustível e pior será a sua performance de aceleração Existem três tipos de engrenamentos para o diferencial Roda dentada é o tipo mais aplicado devido à grande quantidade de veículos com motor dianteiro transversal ao custo de produção das engrenagens helicoidais à manutenção barata e à sua dimensão compacta O acionamento da a roda dentada pode ser realizado diretamente pelo eixo de saída da caixa de marchas ou por uma engrenagem intermediária Apesar da disposição da caixa em paralelo ao motor o que é favorável os eixos de transmissão habitualmente possuem comprimentos diferentes o que é desfavorável Engrenagem cônica é aplicada em trens de força com motor longitudinal ou em veículos com tração nas quatro rodas visto que o diferencial é montado no eixo de tração Logo ele é acionado por um eixo de transmissão sendo o torque e a rotação transmitidos à 90 O engrenamento pode ser por b dentes helicoidais ou por c hipoide Nestes casos a capacidade de carga e o ruído são melhores em relação à roda dentada A versão hipoide possibilita a redução do diâmetro da coroa acompanhado pelo aumento do diâmetro do pinhão em comparação com a versão helicoidal sendo portanto mais compacta e possibilitando um aumento da capacidade de carga A distância a entre as linhas de centro possibilita uma montagem mais baixa do eixo de transmissão reduzindo a altura do túnel de transmissão dentro do veículo Contudo o atrito provocado pelo escorregamento entre os dentes na versão hipoide é bem superior à versão helicoidal gerando pressões superficiais muito grandes que demandam óleos lubrificantes de alta resistência à pressão 81 Fonte adaptado de Naunheimer 2014 Figura 420 Diferentes tipos de engrenamentos de um diferencial Outra função do diferencial é permitir que as rodas de tração girem com rotações diferentes durante uma curva Isto é possível graças à aplicação de um sistema de engrenagens cônicas chamadas planetárias que são solidárias aos eixos tratores e engrenagens satélites que possibilitam uma diferença de rotação entre as duas planetárias no caso de uma curva ou da perda de tração em uma das rodas Se não houver diferença de resistência à rotação nas duas rodas cada volta do satélite corresponde a uma volta da planetária como se as rodas estivessem conectadas por um eixo rígido Fonte adaptado de Reimpell 2001 Figura 421 Motor dianteiro transversal e tração dianteira diferencial acoplada na caixa de marchas 82 433 Semieixos e juntas homocinéticas A principal função dos semieixos é transmitir o torque e a rotação provenientes do diferencial às rodas do veículo A figura 422 abaixo apresenta a disposição de um veículo com motor transversal e tração dianteira Fonte adaptado de Reimpell 2001 Figura 422 Semieixos de um veículo de tração dianteira Os semieixos não estão alinhados com o eixo central do diferencial e devem durante a dinâmica do veículo deslocarse para cima e para baixo em função da movimentação da suspensão e das rodas Logo estes eixos são dotados de juntas homocinéticas que permitem a variação dos centros sem haver perda na transmissão do torque e da rotação às rodas Fonte adaptado de Reimpell 2001 Figura 423 Semieixo em corte 83 Conclusão Foram apresentados neste bloco os principais sistemas e componentes do trem de força do veículo desde o motor de combustão interna até o sistema de transmissão do movimento às rodas O trem de força é importante pois determina a dirigibilidade do veículo segurança e prazer ao dirigir o seu consumo de combustível2 e consequentemente as suas emissões além de impactar a definição e aplicação de outros sistemas veiculares 2Vale notar que as forças de restrição ao movimento notadamente a força de resistência ao rolamento a força de arrasto aerodinâmico e o gradiente de rampa também impactam o consumo REFERÊNCIAS A PEEK BEHIND THE Curtains How Emissions are Measured Skoda Storyboard 2019 Disponível em httpswwwskodastoryboardcomeninnovationandtechnologya peekbehindthecurtainshowemissionsaremeasured Acesso em 31 mar 2021 BRUNETTI F Motores de Combustão Interna Volume I 1 ed São Paulo Blucher 1 jan 2012 EICKSTÄDT J et al The New Audi Q3 Fuel System Drivetrain Mountings and Exhaust System ATZextra Worldwide Alemanha v 16 n 7 p 5255 jul 2011 EFFICIENT AND CLEAN Exhaust Aftertreatment for Gasoline and Diesel Engines Audi Media Center 2020 Disponível em httpswwwaudimediacentercomenpress releasesefficientandcleanexhaustaftertreatmentforgasolineanddieselengines 13346 Acesso em 23 abr 2021 EXHAUST GAS RECIRCULATION Audi Technology Portal 2021 Disponível em httpswwwauditechnologyportaldeendrivetrainengineefficiency technologiesexhaustgasrecirculation Acesso em 23 abr 2021 HOW MANUAL TRANSMISSIONS Work How Stuff Works 2021 Disponível em httpsautohowstuffworkscomtransmissionhtm Acesso em 24 abr 2021 84 MARTINS J Motores de Combustão Interna 5 ed Portugal Engebook 1 jan 2016 NAUNHEIMER H et al Automotive Transmissions Fundamentals Selection Design and Application 2 ed Alemanha Springer 11 out 2014 REIMPELL J et al The Automotive Chassis Engineering Principles 2 ed Alemanha ButterworthHeinemann 23 maio 2001 360 TOUR How Engines are Tested Skoda Storyboard 2018 Disponível em httpswwwskodastoryboardcomeninnovationandtechnologytechnology360 tourhowenginesaretested Acesso em 28 mar 2021 REFERÊNCIAS COMPLEMENTARES BERTONCINI R Estudo de Melhoria da Eficiência Energética de um Veículo Flex Fuel no Contexto do InovarAuto Centro Universitário da Fei São Bernardo do Campo 2014 85 5 DINÂMICA E GEOMETRIA VEICULAR Apresentação Este bloco irá tratar dos sistemas e componentes que ligam o veículo ao solo tornandoo mais manobrável e seguro Poderemos compreender o funcionamento da suspensão conhecer os seus diversos tipos e entender a sua geometria além de estudar o conjunto mola e amortecedor rodas e pneus Veremos também o sistema de direção seus componentes e tipos e por fim o sistema de frenagem Todos estes sistemas e componentes são de grande importância para o comportamento dinâmico do veículo e para a segurança dos seus ocupantes e terceiros 51 Suspensão A suspensão de um veículo é o mecanismo responsável por filtrar as ondulações e imperfeições da estrada de modo a isolar a carroceria função conforto Ela controla o movimento relativo entre a roda e a carroceria do veículo incorporando elementos rígidos e flexíveis Outra função importante da suspensão é assegurar a estabilidade em manobras e frenagem função segurança A suspensão suporta a massa do veículo mantendo a distância préestabelecida para o solo Quando em movimento a suspensão se ocupa de manter todas as rodas em contato com o solo com o auxílio das molas e amortecedores além de absorver os impactos das rodas Os componentes da suspensão especialmente as molas e os amortecedores impactam profundamente no desempenho de direção e manobrabilidade do veículo A suspensão possui duros requisitos de desempenho além de outras restrições a serem consideradas como a massa custo geometria externa durabilidade e manutenção O ambiente de trabalho dos componentes da suspensão é hostil e as tensões envolvidas provindas das cargas suspensas impactam diretamente na durabilidade do conjunto Todos os tipos de suspensão possuem os mesmos componentes principais molas amortecedores e braços conexões 86 Os principais requisitos de uma suspensão são proporcionar um bom desempenho de direção e manobrabilidade a suspensão deve ter conformidade vertical de modo a promover o isolamento da carroceria enquanto garante que as rodas sigam o perfil da estrada com mínima flutuação de carga no pneu garantir o controle da direção durante as manobras as rodas devem manter uma atitude posicional adequada em relação à superfície da estrada visando evitar a perda de contato com o solo garantir que o veículo responda favoravelmente para o controle das forças geradas pelos pneus como resultado de frenagem longitudinal e forças de aceleração forças laterais de curva e torques de frenagem e aceleração a geometria da suspensão deve ser definida com o objetivo de resistir à rolagem à arfagem e à guinada da carroceria do veículo promover o isolamento da vibração de alta frequência decorrente da excitação do pneu as juntas da suspensão devem possuir isolamento adequado para evitar a transmissão da vibração da estrada ruído para a carroceria proporcionar a resistência estrutural necessária para resistir às cargas impostas à suspensão É possível imaginar que atender todos estes requisitos simultaneamente é muito difícil particularmente quando as restrições adicionais de custo geometria externa robustez e outros são levados em consideração Isso leva a alguns compromissos de projeto que geralmente resultam em um desempenho inferior ao excelente para alguns dos resultados desejados Em linhas gerais as suspensões podem ser classificadas como dependentes independentes ou semiindependentes 87 Suspensões dependentes o movimento da roda de um lado do veículo depende do movimento da roda do outro lado Por exemplo quando uma roda de um lado de um eixo atinge um buraco este efeito é transmitido diretamente para a roda do outro lado Geralmente este comportamento tem um efeito prejudicial na direção e na manobrabilidade do veículo Graças à tendência de aumento do refinamento dos veículos as suspensões dependentes não são mais comuns em veículos de passageiros No entanto eles ainda são comumente usados em veículos comerciais e offroad São suspensões com construção simples e com eliminação quase completa da mudança de cambagem com o rolamento da carroceria resultando em baixo desgaste do pneu Elas também são comumente usadas na parte traseira de veículos comerciais leves com tração dianteira e em veículos comerciais e fora de estrada com eixos motrizes traseiros Eles são ocasionalmente usados em conjunto com eixos nãomotrizes na frente de alguns veículos comerciais com tração traseira Não iremos detalhar este tipo de suspensão no nosso curso Suspensões independentes o movimento das rodas é independente de modo que uma perturbação em uma roda não seja transmitida diretamente a outra Essa condição melhora a capacidade de condução e de manobrabilidade e essa forma de suspensão geralmente traz benefícios na geometria externa oferecendo maior flexibilidade de projeto quando comparada aos sistemas dependentes Algumas das formas mais comuns de suspensão independente dianteira e traseira são McPherson triângulo duplo ou duplo A e multibraços multilink sendo comumente empregadas nas rodas dianteiras e traseiras Os sistemas de braço semibraço e eixo oscilante tendem a ser usados predominantemente nas rodas traseiras Suspensões semiindependentes a conexão rígida entre as rodas é substituída por um elo flexível que geralmente assume a forma de uma viga de torção fornecendo tanto controle posicional ao cubo da roda quanto flexibilidade Estas suspensões tendem a ser de construção simples embora tenham espaço para flexibilidade de projeto quando usados em conjunto com buchas de suporte flexíveis buchas de elastômero 88 A escolha do tipo de suspensão é determinada principalmente pela combinação do trem de força que por sua vez é determinada pelos requisitos funcionais do veículo aplicação capacidades de desempenho espaço e capacidade de carga e pela necessidade de alocar uma maior massa sobre o eixo motriz de modo a auxiliar a tração As combinações mais comuns são listadas a seguir 511 Suspensões independentes 1 McPherson é a suspensão mais utilizada no mundo podendo ser instalada nos eixos dianteiro e traseiro pouco frequente O seu principal benefício é a simplicidade sendo constituído por poucos componentes o que a torna mais leve e mais barata e seu tamanho reduzido permite a instalação de motores transversais É composta pela mola braço oscilante bandeja da suspensão amortecedor e manga de eixo Podem possuir ainda uma barra estabilizadora que propicia maior estabilidade ao veículo além de transmitir igualmente a força entre as rodas A mola está posicionada entre o chassi e o prato do amortecedor a base deste está conectada à manga de eixo que se liga ao braço oscilante que por sua vez conecta a parte inferior da suspensão ao chassi Essa configuração é capaz de suportar as cargas longitudinais e laterais oriundas das diversas condições de rolamento Suas principais desvantagens são a altura de instalação elevada que limita a sua aplicação no eixo traseiro perda de espaço no portamalas e as cargas das rodas que produzem um momento sobre o braço oscilante Este momento pode causar problemas de fricção na haste o que pode ser reduzido ao inclinar o eixo da mola em relação ao eixo do amortecedor pode reduzir esse problema Apresenta também uma convergência imprecisa devido à deformação da sua geometria 89 Fonte adaptado de Barton Fieldhouse 2018 Figura 51 Suspensão McPherson 2 Triângulo duplo pode ser instalada nos eixos dianteiro e traseiro Os braços superior e inferior da suspensão são combinados de modo a formar um mecanismo de articulação de quatro barras Os triângulos são quase sempre desiguais em comprimento sendo o superior invariavelmente mais curto do que o inferior para atender as limitações de espaço em veículos com motor dianteiro Essa configuração desassocia a função de suspensão da função de direção permitindo assim uma melhor manobrabilidade e transfere a fixação do amortecedor do pivô para a manga de eixo Vantagens redução do atrito da suspensão pois as forças radiais são totalmente absorvidas pelo eixo ajuste da convergência definido pela barra de direção ajuste da cambagem definido pela posição relativa dos triângulos apresentando assim uma boa geometria e permitindo ainda otimizar as deformações sob esforços Desvantagens maior quantidade de peças reflete numa maior massa e maior custo geralmente utilizada em veículos grandes ou de alta gama e espaço transversal reduzido limitando assim o uso de trens de força transversais 90 Fonte adaptado de Barton Fieldhouse 2018 Figura 52 Suspensão de triângulo duplo 3 Multibraços multilink é a evolução da suspensão de triângulo duplo podendo ser instalada nos eixos dianteiro e traseiro Geralmente é baseada em três quatro ou cinco braços por roda e é projetada para fornecer um controle mais completo sobre o posicionamento das rodas É uma suspensão mais cara e mais pesada devido a maior quantidade de componentes além de ser muito complexa A suspensão dianteira com cinco braços figura 53 a seguir é típica desta configuração sendo o seu mecanismo cinematicamente restrito demais devido a quantidade de braços O movimento da suspensão só é possível por causa de buchas de suspensão compatíveis nas extremidades de alguns dos braços Assim a roda tende a orbitar em torno do eixo do pino mestre durante a direção além de rolar Possui geometria aprimorada e direção precisa 91 Fonte Barton Fieldhouse 2018 Figura 53 Suspensão multibraços 4 Braço traseiro articulado esta suspensão é composta por um braço de controle posicionado longitudinalmente na direção do veículo e montado para rotacionar em um subconjunto ou na carroceria em ambos os lados do veículo O braço de controle deve suportar forças em todas as direções e portanto está altamente sujeito a esforços de flexão e torção Além disso nenhuma mudança de cambagem e convergência são causadas por forças verticais e laterais O braço traseiro articulado é relativamente simples e popular em veículos de tração dianteira permitindo que o assoalho do veículo seja plano e que o tanque de combustível eou estepe possam ser posicionados entre os braços de controle da suspensão Possui poucos componentes sendo uma suspensão leve e barata Se os eixos do pivô ficarem paralelos ao chão encostados nos batentes não haverá mudança de geometria tampouco ocorrerá mudança de cambagem ou convergência e a distância entre eixos será encurtada ligeiramente Se molas de torção forem aplicadas o comprimento do braço de controle pode ser usado para influenciar a progressividade da mola para obter um melhor comportamento de vibração sob carga Durante a frenagem a traseira do veículo é puxada para baixo antimergulho Desvantagens tendência de sobrevirar sair de traseira como 92 resultado da deformação do braço quando sujeito a uma força lateral possui centro de rolagem ao nível do solo a possibilidade extremamente pequena de um efeito cinemático e elastocinemático na posição das rodas e a inclinação das rodas durante as curvas com a inclinação da carroceria para fora cambagem positiva indesejada Fonte Reimpell 2001 Figura 54 Braço traseiro articulado 512 Suspensões semiindependentes A principal suspensão semiindependente disponível no mercado é a barra de torção Esta configuração tornouse comum no eixo traseiro de veículos pequenos de tração dianteira devido à sua simplicidade e baixo custo É uma mistura entre a configuração de braço traseiro articulado e um eixo de viga dependente O eixo é substituído por uma barra transversal que permite uma torção controlada pela geometria da suspensão e pelas propriedades estruturais dos seus componentes Essa barra pode possuir perfil em U V ou Y A barra transversal é eficazmente rígida na flexão mas tem flexibilidade de torção e desempenha uma função semelhante à de uma barra estabilizadora As buchas de suporte podem ser anguladas e projetadas para ter uma rigidez diferente ao longo e perpendicular aos seus respectivos eixos principais 93 Fonte Reimpell 2001 Figura 55 Barra de torção 513 Suspensão hidropneumática Nesta configuração de suspensão o efeito mola é produzido ao comprimir uma massa constante de gás normalmente nitrogênio em um reservatório de volume variável À medida que a roda se desloca sobre um obstáculo o pistão se move para cima transmitindo o movimento ao fluido e comprimindo o gás através do diafragma flexível A pressão do gás aumenta conforme seu volume diminui para produzir uma característica de mola de endurecimento Esse princípio foi explorado na suspensão hidrogasosa de MoultonDunlop onde o amortecimento foi incorporado nas unidades hidropneumáticas Unidades dianteiras e traseiras foram conectadas para dar controle de inclinação Um desenvolvimento posterior desse princípio foi o sistema desenvolvido pela Citroën que incorpora uma bomba hidráulica para fornecer fluido pressurizado a quatro escoras hidropneumáticas uma em cada roda A correção da altura da carroceria do veículo é obtida com válvulas reguladoras que são ajustadas automaticamente pelo movimento da barra de segurança ou ajuste manual pelo motorista A suspensão hidropneumática permite grande flexibilidade à suspensão e o controle de altura constante seja qual for a carga Em altas velocidades a suspensão diminui a distância ao solo melhorando assim a estabilidade do veículo baixando o seu centro de gravidade reduzindo o consumo de combustível ao reduzir o 94 coeficiente de arrasto aerodinâmico e reduzindo a sensibilidade ao vento cruzado No caso de pisos acidentados a suspensão aumenta a distância ao solo para evitar batidas ou encalhe Em geral os sistemas hidropneumáticos são complexos e caros e a manutenção também pode ser um problema a longo prazo Seu custo pode no entanto ser compensado pelo bom desempenho Fonte adaptado de Barton Fieldhouse 2018 Figura 56 Suspensão hidropneumática 514 Suspensão pneumática Esta configuração de suspensão utiliza molas pneumáticas e amortecedores continuamente variáveis nas quatro rodas possibilitando que a altura do veículo e a distância ao solo sejam variadas seja automaticamente ou conforme selecionado pelo motorista A altura do veículo é reduzida a altas velocidades aumentando a estabilidade e reduzindo o consumo de combustível ao diminuir a resistência aerodinâmica Ao conduzir em estradas acidentadas ou se houver risco de encalhe a suspensão pode ser elevada e a distância ao solo aumentada A compensação de carga total significa que o curso total da suspensão está sempre disponível sendo um prérequisito para classificações de suspensão macia e portanto orientada ao conforto Os amortecedores continuamente variáveis garantem que o amortecimento do veículo possa ser compatível com a situação real de direção Além disso a ação dos amortecedores pode ser usada para variar as características do veículo de excepcionalmente dinâmico a extremamente confortável 95 Um compressor é usado para aumentar a pressão do ar pressão máxima de 18 bar em combinação com um reservatório de pressão que disponibiliza energia pneumática suficiente para evitar a carga no sistema elétrico do veículo mesmo quando os ajustes de altura do passeio são feitos em uma paralisação ou com o motor do veículo parado O sistema de controle de amortecimento recebe os dados do movimento do veículo e determina as forças ideais para o veículo em termos de dinâmica e conforto de direção As forças necessárias são então selecionadas para as rodas individuais dentro de alguns milésimos de segundo por meio do fluxo para as válvulas de amortecimento Isso garante que a configuração de força ideal seja escolhida para a situação de direção relevante independentemente do movimento real do amortecedor A conexão desse sistema à unidade de controle central permite que as informações associadas às situações de direção como atuação do freio aceleração movimento do volante movimentos de inclinação rotação ou sobreviragem sejam levadas em consideração pelo processo de regulação e usadas para influenciálo Fonte adaptado de Stengel et al 2010 Figura 57 Suspensão pneumática 96 515 Molas e amortecedores O amortecedor um dos principais componentes da suspensão atua em conjunto com a mola para absorver os impactos recebidos pela roda ao trafegar Ele é responsável por diminuir o tempo de oscilação da mola controlando assim o seu movimento Sem o amortecedor o veículo oscilaria continuamente enquanto transitasse Logo mantê lo em boas condições é fundamental para o conforto e a segurança do veículo Existem dois tipos de molas aplicadas às suspensões feixe de mola ou mola helicoidal A mola é feita de aço e é muito flexível sendo a sua principal função assim como a do amortecedor absorver as irregularidades do solo proporcionando conforto e segurança aos ocupantes do veículo Além disso as molas têm outra função importante sustentar a massa do veículo mantendo a carroceria distante das rodas de tal sorte que os pneus não raspem nas caixas de roda A mola e o amortecedor regulam toda a ação da suspensão Ao passar por um buraco por exemplo a mola se estica e se comprime enquanto o amortecedor controla esse movimento atuando na oscilação da mola Em conjunto estes componentes dissipam a perturbação gerada pelo buraco com a ajuda também do pneu Quando o veículo entra em uma curva ou realiza manobras dinâmicas a mola exerce uma força contra a carroceria fazendo com que ela não se incline demasiadamente Assim o veículo não derrapa tampouco sai pela tangente devido ao excesso de massa em um dos lados Com o objetivo de auxiliar nas curvas uma barra estabilizadora pode ser incorporada à suspensão ligando às duas colunas e transmitindo a força igualmente aos dois lados Durante as frenagens a suspensão atua equilibrando a força por toda a carroceria evitando assim um efeito gangorra que prejudicaria a frenagem fazendo com que o veículo levasse mais tempo para frear em uma emergência O desempenho de condução é avaliado no estágio de projeto por simulação da resposta do veículo à excitação da estrada Isso requer o desenvolvimento de um modelo de veículo e a análise de sua resposta No caso de um veículo de passageiros o modelo mais abrangente possui sete graus de liberdade GL conforme apresentado na figura 58 a seguir 97 São três GLs para o corpo do veículo rolagem arfagem e guinada e um GL vertical adicional para cada uma das quatro massas não suspensas massa da suspensão completa mais comando da direção freios rodas e pneus Este modelo permite que o desempenho de rolagem arfagem e guinada do veículo seja estudado A rigidez da suspensão e as taxas de amortecimento no modelo são derivadas das unidades individuais de mola e amortecimento usando a abordagem cinemática O mais simples modelo de pneu usa um modelo de ponto de contato para representar a elasticidade e o amortecimento do pneu com uma mola simples e amortecedor viscoso Como o amortecimento do pneu é várias ordens de magnitude menor do que o amortecimento da suspensão ele pode ser negligenciado em modelos básicos de veículos Fonte adaptado de Barton Fieldhouse 2018 Figura 58 Modelo de veículo completo 516 Pneus Tendo em vista as principais funções da suspensão função conforto e função segurança é correto afirmar que os pneus fazem parte deste sistema desempenhando um papel importante no auxílio da absorção de impactos e imperfeições do piso função conforto e no contato do veículo ao solo função segurança O pneu é o responsável por transmitir o torque gerado pelo trem de força para o piso de modo que a tração disponível possa ser utilizada para impulsionar o veículo Ele também deve desempenhar seu papel na desaceleração do veículo quando os freios são acionados além de garantir manobras seguras como nas curvas Por isso o pneu deve possuir um coeficiente de atrito suficientemente alto com a superfície do piso 98 para evitar patinagem das rodas durante a aceleração e a frenagem e para evitar instabilidade nas curvas Ademais deve ser capaz de se adaptar à superfície do piso em constante mudança isto é que as deformações locais devem ser atendidas junto com as ondulações do piso e que deve ter um grau razoável de flexibilidade ao desempenhar um papel eficaz no sistema de suspensão Embora a flexão do pneu seja útil para atender a estas demandas as perdas de histerese resultantes contribuem significativamente para a resistência geral ao rolamento do veículo conforme descrito acima Os requisitos de um pneu são listados abaixo Segurança ao dirigir o pneu deve estar bem assentado ao aro e deve ser hermeticamente selado ou seja deve evitar que o ar escape No caso do pneu sem câmara a função pertence ao forro interno Como a pressão é perdida com o tempo é importante verificar a pressão dos pneus regularmente Adicionalmente a fim de garantir a segurança na direção os pneus devem ser os mais resistentes possíveis à sobrecarga e aos furos tendo propriedades de funcionamento de emergência que possibilitem ao motorista parar o veículo com segurança em caso de sua falha Manobrabilidade deve possuir altos coeficientes de atrito em todas as condições de operação resistir ao aumento constante de forças laterais sem mudanças repentinas previsibilidade ao motorista apresentar boa estabilidade nas curvas e resposta direta e imediata aos movimentos da direção garantir a velocidade máxima especificada e resistir a pequenas flutuações de carga da roda Conforto deve possuir boas propriedades de suspensão e amortecimento pouca dureza de rolamento apresentar alta suavidade aos impactos radiais e aos desequilíbrios do pneu demandar baixo esforço da direção durante o estacionamento e as manobras e apresentar baixo ruído de rolamento Durabilidade deve apresentar alta durabilidade em linha com as especificações da montadora e estabilidade em altas velocidades 99 Economia possuir custo reduzido de aquisição alta durabilidade para permitir a maior quantidade possível de quilômetros a serem rodados baixo desgaste baixa resistência ao rolamento as dimensões adequadas à aplicação que determina o espaço necessário nas caixas de roda e no compartimento do estepe e correta classificação de carga à aplicação Compatibilidade ambiental apresentar baixo ruído de rolamento baixo consumo de matériaprima e energia durante a sua produção e seu descarte e possibilitar a remodelação completa quando permitido e aplicável Os pneus têm dois tipos de construção radial e diagonal sendo o radial o mais comumente utilizado em veículos de passageiros Sua principal vantagem é que as paredes laterais são mais flexíveis e portanto uma maior porção da banda de rodagem permanece em contato com o piso durante as curvas A figura a seguir apresenta a construção de um pneu radial em detalhe Fonte adaptado de Barton Fieldhouse 2018 Figura 59 Construção do pneu radial 100 Vantagens dos pneus radiais em relação aos pneus diagonais Maior durabilidade da banda de rodagem o ombro reforçado reduz a flexão da banda de rodagem contorções na região de contato com o piso Funcionamento mais frio possui paredes laterais mais finas e menor atrito entre as mantas Funciona de 20 a 30C mais frio do que o diagonal devido à contorção reduzida Menor resistência ao rolamento menores perdas de histerese devido a menor contorção com o piso como resultado das paredes laterais flexíveis Conforto aprimorado as paredes laterais flexíveis são mais tolerantes às ondulações do piso absorvendo prontamente as suas superfícies irregulares e transmite menos vibração sendo mais silencioso Maior resistência ao impacto as mantas lonas de trabalho sob a banda de rodagem protegem melhor o revestimento interno e os fios mais longos estão mais bem posicionados para absorver as tensões de impacto energia de deformação Maior resistência à perfuração as mantas de trabalho resistem melhor à penetração de detritos do piso Manobrabilidade superior a banda de rodagem aumentada permanece em contato com o piso durante as curvas e devido à flexão da parede lateral o ângulo de deslizamento do pneu é menor do que o transversal para que o veículo seja capaz de seguir a direção desejada Melhor tração úmida as cintas de aço enrijecem a banda de rodagem para que ela não se deforme como no pneu diagonal promovendo um melhor deslocamento da água da chuva Menores custos de operação resultado do menor desgaste da banda de rodagem e menor resistência ao rolamento Danos nas paredes laterais reduzidas as paredes laterais são mais resilientes compatíveis a impactos laterais como o arrasto no meiofio 101 Desvantagens dos pneus radiais em relação aos pneus diagonais Reduzida capacidade de carga a baixa rigidez lateral faz com que a oscilação do pneu cresça com o aumento da velocidade do veículo Maior vulnerabilidade ao abuso quando sobrecarregado ou subinflado a parede lateral tende a ficar saliente o que pode causar danos e perfurações A figura a seguir apresenta a designação típica dos pneus Fonte adaptado de Barton Fieldhouse 2018 Figura 510 Designação típica dos pneus 517 Geometria de suspensão A geometria de suspensão é dada pelo conjunto de todos os componentes que participam na determinação e manutenção da trajetória do veículo tendo em conta as forças perturbadoras que garantem aderência ao veículo Os eixos dianteiro e traseiro devem permitir que a trajetória seja preservada a menos que haja uma ação no volante Em linha reta o eixo traseiro é um estabilizador permitindo que a trajetória seja mantida Em curvas o eixo traseiro é dirigente permitindo a estabilidade da trajetória escolhida 102 É o conjunto dos ângulos de suspensão que permitirão que cada veículo tenha de maneira dinâmica o melhor compromisso entre a aderência à estrada e o desgaste dos pneus Os principais ângulos são Cambagem é o ângulo entre o plano da roda e a vertical considerado positivo quando a roda se inclina para fora do veículo como na figura a seguir A cambagem é afetada pelo carregamento do veículo e pelas curvas Uma ligeira cambagem positiva 01 proporciona um desgaste mais uniforme e baixa resistência ao rolamento No entanto em automóveis de passageiros a configuração costuma ser negativa mesmo quando em vazio Os valores do eixo dianteiro variam de 0 a 120 A cambagem negativa melhora a aderência lateral do pneu em curvas e a manobrabilidade devido aos efeitos de empuxo da cambagem uma consequência das características do pneu Uma desvantagem da suspensão independente é que as rodas se inclinam em relação ao corpo do veículo em uma curva tendendo a produzir um aumento da cambagem negativa nas rodas internas e um aumento da positiva nas externas Assim as rodas externas tentam então rolar para fora da curva tendendo a produzir uma condição de subviragem Observe que a mudança de cambagem em relação à estrada é uma combinação devido ao movimento da suspensão rebote no interior solavanco do lado de fora e mudanças devido ao rolamento da carroceria Fonte adaptado de Barton Fieldhouse 2018 Figura 511 Definição de cambagem e condição de curva com uma suspensão independente 103 Caster é o ângulo de inclinação do eixo do pino mestre projetado no plano anteriorposterior inicialmente através do centro da roda sendo positivo na direção mostrada na figura 512 a seguir O ângulo do caster produz um torque autocompensador para rodas não tracionadas Ele depende da deflexão da suspensão e nas rodas direcionais influencia o ângulo de cambagem em função do de direção Os efeitos do ângulo do caster são o desgaste do pneu mudanças de cambagem induzidas podem criar desgaste nos ombros do pneu particularmente em ângulos de travamento altos o resposta da direção um ângulo de caster positivo irá gerar uma cambagem negativa em uma roda externa melhorando assim a resposta de virada Fonte adaptado de Barton Fieldhouse 2018 Figura 512 Ângulo do caster Convergência é a diferença entre as distâncias dianteiras e traseiras que separam o plano central de um par de rodas cotadas na altura de passeio estática e medidas para os aros internos das rodas Convergência é quando os planos do centro da roda convergem para a frente do veículo conforme mostrado na figura baixo As forças de frenagem e de resistência ao rolamento tendem a produzir um efeito de convergência enquanto as forças de tração no caso dos veículos com tração dianteira tendem a produzir o efeito oposto 104 Isso faz com que as rodas dianteiras sejam ajustadas para convergir para os eixos dianteiros tracionados e não tracionados No caso de tração dianteira isso é para garantir a estabilidade de direção quando o motorista tira repentinamente o pé do acelerador Com suspensões frontais independentes o rolamento da carroceria pode produzir mudanças na ponta do pé e portanto na direção do rolamento Fonte adaptado de Barton Fieldhouse 2018 Figura 513 Definição de convergência 52 Sistema de direção Os sistemas automotivos não podem ser separados como independentes afinal todos interagem entre si Desta forma os sistemas de direção e de suspensão devem ser desenvolvidos em estreita cooperação Como sempre a segurança desempenha um papel significativo em qualquer projeto e em particular nos sistemas de direção já que os motoristas interagem com a direção embora geralmente não tenham controle sobre o sistema de suspensão Conforto de condução e manobrabilidade são portanto considerados mais uma questão de qualidade e requinte Entretanto por causa das implicações de segurança e da interface do motorista o projeto da direção é guiado pela regulamentação internacional com a qual todos as montadoras devem cumprir O objetivo básico de um sistema de direção é girar as rodas direcionais em resposta ao comando do motorista e assim fornecer o controle direcional geral do veículo Suas principais funções são 105 fornecer uma conexão confiável entre as rodas direcionais e o volante do motorista fornecer relações cinemáticas controladas de modo a obter os ângulos de direção corretos das rodas internas e externas minimizar o esforço de direção e ao mesmo tempo manter a sensação ao motorista Em todos os casos o sistema de direção aplicado deve ser seguro e deve estar em acordo com as regulamentações vigentes conforme os requisitos gerais a seguir A força de acionamento deve ser harmoniosa do centro até o batente e não deve diminuir O motivo é garantir que o motorista esteja sempre no controle do comando Deve ser possível dirigir o veículo com precisão ou seja sem quaisquer correções de direção incomuns A folga nos componentes mecânicos é inadmissível Isso significa que se o motorista inverter a direção não haverá folga ou recolhimento no sistema Todos os dispositivos de transmissão mecânica devem ser capazes de lidar com todas as cargas e tensões que ocorrem durante o funcionamento da direção Manobras de direção incomuns como passar por cima de obstáculos e ocorrências semelhantes a acidentes não devem causar trincas ou quebras Uma trinca é possivelmente o pior cenário pois pode se propagar e falhar em algum momento posterior Se a força de acionamento do volante de um veículo de passageiro normal exceder 150 N a adoção de um sistema de assistência de direção se faz necessário Contudo se a assistência falhar uma força motriz de acionamento não deverá exceder 300 N Para um veículo de passageiro normal deve ser possível girar as rodas dianteiras para a posição correspondente a um raio de viragem de 12 m em 4 s com uma força de 150 N ou travamento total se o raio de 12 m não for atingível a uma velocidade de 10 kmh e em caso de falha da assistência de direção um raio de viragem de 20 m em 4 s 106 A principal função do sistema de direção é fornecer uma conexão entre as rodas direcionais e o volante sendo este o meio pelo qual o motorista exerce controle direcional sobre o veículo No passado as regulamentações insistiam em uma ligação mecânica entre o volante e as rodas direcionais Contudo os avanços tecnológicos atingiram um nível em que esta ligação mecânica deixou de ser um requisito que permite o emprego de verdadeiros sistemas de direção remota steerbywire Esta tecnologia está agora amplamente difundida mas ainda é comum incluir uma ligação mecânica entre o volante e as rodas direcionais Como as forças e os momentos envolvidos podem ser grandes alguma forma de assistência de direção é comumente fornecida para controlar o esforço do motorista em níveis aceitáveis Se o sistema for totalmente controlado pela assistência de direção então deve haver alguma forma de resistência do volante introduzida para dar ao motorista a sensação da interação entre o pneu e o piso durante as manobras O projeto de uma articulação de direção envolve controlar as relações cinemáticas para atingir os ângulos de direção corretos nas rodas direcionais interna e externa No entanto essas relações cinemáticas básicas são modificadas por vários recursos mudanças na deflexão da suspensão complacências das buchas de suspensão e forças ou momentos decorrentes do esforço de tração Portanto embora alguns dos princípios de projeto envolvidos na cinemática da direção possam ser vistos isoladamente uma análise completa do comportamento na prática deve incluir todo o sistema de suspensão e o trem de força Existem dois tipos de sistema de direção o sistema de cremalheira e pinhão e o sistema de caixa de direção Este segundo é geralmente aplicado em veículos comerciais e fora de série e não será objeto do nosso estudo Todos os projetos de articulação de direção são ditados pela disponibilidade de espaço 107 521 Tipos de sistemas de direção Os principais tipos de sistema de direção são apresentados a seguir 1 Direção manual o mecanismo mais comum em circulação atualmente é o de pinhão e cremalheira A rotação do volante controla a rotação do pinhão geralmente por meio de uma coluna de direção que inclui um par de juntas universais para fins de acesso que então controla o movimento de translação da cremalheira As extremidades da cremalheira são conectadas aos braços de direção das rodas direcionais por tirantes que respondem pelo movimento destes braços Desenvolvimentos recentes em sistemas de direção de cremalheira e pinhão se concentraram em projetos de relação variável em que a relação de engrenagem de direção efetiva varia com o ângulo do volante e em melhorias nos sistemas de assistência de direção para tentar fornecer o melhor compromisso entre facilidade de controle e bom feedback para o motorista Fonte adaptado de Reimpell et al 2001 Figura 514 Sistema de direção manual e mecanismo pinhãocremalheira 108 2 Direção hidráulica assistida de modo a reduzir a força necessária no volante a pressão hidráulica pode ser usada para auxiliar o movimento da cremalheira ou o movimento linear do fuso de esfera em uma caixa de direção Em ambos os casos deve ser incluído um sistema hidráulico composto por um reservatório e uma bomba A bomba é acionada pelo motor do veículo através da correia de acessórios consumindo assim potência dele Fonte adaptado de Reimpell et al 2001 Figura 515 Direção hidráulica assistida 3 Direção elétrica assistida o problema da direção hidráulica é que a pressão hidráulica de operação deve estar sempre disponível Em praticamente todos os casos a bomba será de entrega fixa normalmente uma bomba do tipo palheta Mesmo que válvulas de desvio possam ser aplicadas a bomba é acionada pelo motor consumindo parte de sua potência Para mitigar este problema a bomba pode ser substituída por um motor elétrico Esse princípio de operação também pode oferecer mais controle de direção como características variáveis de velocidade e força normalmente a força de direção necessária aumenta durante as manobras de estacionamento Os critérios gerais para a direção elétrica são listados a seguir operação segura em todas as situações de direção e um alto nível de disponibilidade 109 características de resposta altamente dinâmica nas mais diversas situações de direção um nível suficiente de assistência de direção para o motorista no caso de forças de acionamento intensivas por exemplo manobras de estacionamento ruído mínimo durante todas as manobras de direção para essa função do veículo o feedback acústico não é desejável características de direção de alta qualidade em linha com a filosofia da marca do veículo cada vez mais funções de direção estão sendo integradas em sistemas elétricos modernos que melhoram a segurança ou o conforto do motorista e podem ser comercializados de forma correspondente pelos fabricantes de veículos O layout geral de um sistema elétrico é apresentado na figura a seguir Observe que a coluna de direção ainda existe garantindo que a direção ainda seja possível em casos de pane elétrica A direção de superposição responde ao movimento do motorista e está relacionada à velocidade A demanda de torque é detectada por bobinas de indução dentro do sistema elétrico e quanto maior for o deslocamento rotativo por exemplo no estacionamento maior será a demanda de torque Também há feedback de velocidade do veículo que reduz a demanda de torque à medida que a velocidade aumenta como na condução em alta velocidade Dependendo das restrições de espaço os motores podem ser incluídos na coluna de direção ou no próprio mecanismo de direção O acionamento ainda pode ser cremalheira e pinhão mas os parafusos de esferas rotativos agora se tornam uma opção Com a direção totalmente elétrica pode ser possível fornecer movimento linear na caixa de direção usando motores ocos e parafusos de esferas recirculantes Se isso for adotado cada roda pode ser controlada de forma independente para levar em conta o deslizamento do pneu e a curvatura individual da roda A potência exigida pelo motor depende da demanda de força da distância percorrida e do tempo para o movimento completo 110 Fonte adaptado de Audi Technology Portal 2021 Figura 516 Direção elétrica assistida 4 Direção eletrohidráulica assistida tratase de uma direção hidráulica onde a bomba hidráulica é substituída por uma elétrica que irá pressurizar o fluido sem consumir potência do motor Fonte adaptado de Reimpell et al 2001 Figura 517 Direção eletrohidráulica assistida 111 53 Sistema de frenagem O sistema de frenagem é composto por diversos componentes que têm por objetivo controlar o movimento de rotação da roda de um veículo visando desacelerar ou interromper este movimento e até impedir que entre em movimento novamente O controle do movimento é dado através da transformação da energia cinética do veículo em energia térmica sendo dissipada em forma de calor Uma pequena parcela da energia cinética também é transformada em energia acústica ruído contribuindo para a poluição sonora do veículo A regulamentação vigente exige para os veículos de passageiros um sistema de frenagem principal que deve fornecer uma desaceleração de 55 ms2 a 80 kmh para um esforço de pedal menor do que 50 kg Assim de modo a atender tais exigências o controle deste sistema deve ser hidráulico Já o freio de estacionamento deve ser capaz de fornecer uma desaceleração de 275 ms2 Por uma questão de simplicidade o controle deste sistema é mecânico por cabos mas pode ser elétrico mais caro Geralmente nos veículos de passageiros os freios usam o atrito entre duas superfícies pressionadas juntas visando converter a energia cinética do veículo em movimento em calor embora existam outros métodos de conversão de energia A energia cinética aumenta pelo quadrado da velocidade K mv2 2 Onde K energia cinética m massa do veículo v velocidade do veículo Assim um veículo se movendo a 10 ms possui 100 vezes mais energia do que outro de mesma massa movendose a 1 ms e consequentemente a distância teórica de frenagem no limite de tração será até 100 vezes maior 112 Os freios de fricção os mais comumente aplicados aos veículos armazenam o calor da frenagem no tambor eou no disco de freio dissipandoo gradualmente ao ar Ao pressionar o pedal do freio o cilindro mestre é acionado e ele por sua vez aciona o pistão que empurra a pastilha do freio contra o disco de freio diminuindo a velocidade da roda No tambor de freio o processo é semelhante sendo que o cilindro empurra as sapatas de freio contra o tambor para desacelerar a roda Os freios de fricção podem ser basicamente divididos em freios a tambor material de fricção sapata e a disco material de fricção pastilha Geralmente são dispositivos rotativos com um material de fricção estacionário As configurações mais comuns são um tambor rotativo com sapatas que se expandem para esfregar o interior de um tambor freio a tambor e pastilhas que comprimem um disco giratório freio a disco Existem outras configurações de freio menos utilizadas que não fazem parte do escopo deste curso O freio a tambor é um freio em que o atrito é causado por um conjunto de sapatas que pressionam contra a superfície interna de um tambor em rotação O tambor é conectado ao cubo da roda dentada em rotação Freios a tambor geralmente podem ser encontrados em modelos de veículos e caminhões mais antigos No entanto devido ao seu baixo custo de produção configurações de freio a tambor também são instaladas na parte traseira de alguns veículos mais novos de baixo custo Comparando com os freios a disco modernos os freios a tambor se desgastam mais rapidamente devido à tendência de superaquecimento dificuldade para dissipar o calor O freio a disco é o atrito causado por pastilhas de freio montadas nas pinças que pressionam o disco de freio pelos dois lados O disco de freio é conectado à roda ou ao eixo 113 Fonte adaptado de Schuller et al 2010 Figura 518 Sistema de frenagem As principais características dos freios são listadas a seguir Força de pico é o efeito de máxima desaceleração que pode ser obtido Ele costuma ser maior do que o limite de tração dos pneus e portanto pode causar o bloqueio das rodas Dissipação contínua de energia os freios normalmente ficam quentes durante o uso e falham quando a temperatura fica muito alta fading A maior quantidade de potência energia por unidade de tempo que pode ser dissipada através do freio sem falha é a dissipação contínua de energia Ela depende muitas vezes da temperatura e da velocidade do ar ambiente que resfria o freio Fading à medida que o freio aquece ele pode se tornar menos eficaz chamado de fade do freio Alguns designs são inerentemente propensos ao fading enquanto outros são relativamente imunes Além disso as considerações de uso como resfriamento geralmente têm um grande efeito nele Suavidade um freio que roça possui pouca folga pulsa trepida ou que gere uma força de frenagem variável pode levar ao bloqueio da roda 114 Potência os freios são frequentemente descritos como potentes quando uma pequena força de aplicação leva a uma força de frenagem maior do que a típica para outros freios da mesma classe Essa noção de potência não se relaciona com a dissipação contínua de energia e pode ser confusa pois um freio pode ser potente e frear fortemente com uma aplicação suave do pedal ainda que tenha força de pico inferior a um outro freio menos potente Sensação do pedal a sensação do pedal de freio abrange a percepção subjetiva da potência do freio em função do curso do pedal O curso do pedal é influenciado pelo deslocamento do fluido do freio e outros fatores Arrasto os freios têm uma quantidade variada de arrasto na condição de não acionamento livre dependendo do projeto do sistema para acomodar a conformidade e a deformação total do sistema que existe sob a frenagem com capacidade de retrair o material de fricção da superfície de atrito na condição livre Durabilidade os freios de fricção têm superfícies de desgaste que devem ser renovadas periodicamente As superfícies de desgaste incluem as sapatas ou pastilhas de freio e o tambor ou o disco de freio Uma superfície de desgaste que gera alta força de pico também pode se desgastar rapidamente Massa os freios têm geralmente uma massa adicional que não desempenha nenhuma outra função Além disso são frequentemente montados sobre rodas e a massa não suspensa pode prejudicar significativamente a tração do veículo em algumas circunstâncias Podemos entender a massa como a do próprio freio ou de uma estrutura de suporte adicional Ruído os freios apresentam ruídos quando aplicados mesmo que mínimos mas geralmente criam guinchos ou ruídos de esmerilhamento bastante altos 115 531 Componentes Os principais componentes do sistema de frenagem são listados a seguir Cilindro mestre ao pressionar o pedal do freio ele pressiona um pistão no cilindro mestre forçando o fluido hidráulico ao longo do tubo O fluido é transmitido aos cilindros escravos posicionados em cada roda e os preenche forçando os pistões para aplicar o freio A pressão do fluido é distribuída uniformemente pelo sistema A área das superfícies combinadas de todos os pistões escravos responsáveis por acionar os freios é muito maior do que a do pistão do cilindro mestre Logo o pistão mestre tem que ser deslocado em alguns centímetros para poder mover os pistões escravos na fração de centímetro necessária para aplicar os freios Essa configuração permite que uma grande força seja exercida pelos freios análogo ao princípio de alavanca Os veículos modernos são equipados com circuitos hidráulicos duplos com dois cilindros mestres em tandem para o caso de um falhar Às vezes um circuito aciona os freios dianteiros e outro os traseiros ou cada circuito funciona com os freios dianteiros e um dos freios traseiros ou um circuito funciona com todos os quatro freios e o outro apenas com os dianteiros dependendo da aplicação do veículo e da estratégia de frenagem da montadora Em uma frenagem forte o deslocamento de massa para a parte frontal do veículo pode promover o travamento das rodas traseiras podendo causar uma derrapagem perigosa Por esta razão os freios traseiros são deliberadamente menos potentes do que os dianteiros e correspondem apenas com 30 da força de frenagem total Atualmente a maioria dos veículos possuem uma válvula limitadora de pressão sensível à carga que fecha quando uma frenagem forte aumenta a pressão hidráulica a um nível que pode causar o travamento dos freios traseiros e impede qualquer movimento posterior de fluido para eles Adicionalmente os veículos possuem um sistema antibloqueio ABS complexo que detecta a dinâmica do veículo em tempo real de modo a evitar o travamento das rodas aplicando e liberando os freios rápida e sucessivamente 116 Fonte adaptado de How a Car Works 20211 Figura 519 Cilindro mestre Servo freio os veículos possuem também uma assistência de potência para reduzir o esforço necessário para aplicar os freios Normalmente a fonte de energia é a diferença de pressão entre o vácuo parcial no coletor de admissão e o ar externo A unidade de servo freio possui uma conexão tubular com o coletor de admissão sua fonte de vácuo para o seu funcionamento O servo freio possui ação direta sendo instalado entre o pedal do freio e o cilindro mestre O pedal do freio quando pressionado empurra uma haste que por sua vez empurra o pistão do cilindro mestre Contudo o pedal do freio também funciona com um conjunto de válvulas de ar e um grande diafragma de borracha conectado ao pistão do cilindro mestre Quando os freios não estão acionados ambos os lados do diafragma ficam expostos ao vácuo do coletor de admissão Ao pressionar o pedal do freio a válvula que liga a parte traseira do diafragma ao coletor fecha e uma válvula que permite a entrada do ar ambiente abre A pressão mais alta do ar externo força o diafragma para frente empurrando o pistão do cilindro mestre e assim auxiliando no esforço de frenagem Se o pedal for segurado e não pressionado mais a válvula de ar não admitirá mais ar de fora de modo que a pressão nos freios permanecerá a mesma Quando o pedal é liberado o espaço posterior do diafragma é reaberto para o coletor fazendo a pressão cair e o diafragma retornar à posição original 117 Se o vácuo falhar porque o motor foi desligado por exemplo os freios ainda funcionam porque há uma ligação mecânica entre o pedal e o cilindro mestre mas a força a ser exercida no pedal para acionar os freios deverá ser muito maior Alguns veículos possuem um servo freio de ação indireta instalado nas linhas hidráulicas entre o cilindro mestre e os freios Esta unidade pode ser montada em qualquer lugar no compartimento do motor ao invés de estar diretamente à frente do pedal Este servo freio também depende do vácuo do coletor de admissão para funcionar Pressionar o pedal do freio causa o aumento da pressão hidráulica do cilindro mestre uma válvula se abre e aciona o servo a vácuo Fonte adaptado de How a Car Works 20211 Figura 520 Servo freio Fonte adaptado de How a Car Works 20211 Figura 521 Funcionamento do servo freio 118 Disco de freio o disco de freio gira com a roda e é composto por uma pinça que possui pequenos pistões hidráulicos acionados pela pressão do cilindro mestre Estes pistões pressionam as pastilhas de fricção fixadas em ambos os lados do disco para desacelerálo ou parálo As pastilhas são moldadas de modo a cobrir uma área importante do disco Pode haver mais de um par de pistões especialmente em freios de circuito duplo Os pistões se movem apenas uma pequena distância para aplicar os freios e as pastilhas mal se movem no disco quando os freios são liberados não existem molas de retorno Os anéis de vedação de borracha ao redor dos pistões são projetados para permitir que os pistões deslizem para a frente gradualmente à medida que as pastilhas se desgastam de modo que a folga permaneça constante e os freios não precisem de ajuste Alguns veículos atuais possuem sensores de desgaste embutidos nas pastilhas e quando as pastilhas estão quase gastas os condutores ficam expostos e entram em curto com o disco de metal acendendo a luz de advertência no painel de instrumentos Fonte adaptado de How a Car Works 20211 Figura 522 Disco de freio 119 Tambor de freio o tambor oco gira com a roda Sua parte traseira aberta é coberta por uma placa traseira estacionária na qual há duas sapatas curvas com lonas de fricção As sapatas são forçadas para fora por pressão hidráulica que move os pistões nos cilindros da roda do freio pressionando as lonas contra o interior do tambor para desacelerar ou parálo Cada sapata de freio possui um pivô em uma extremidade e um pistão na outra A sapata dianteira tem o pistão na borda dianteira em relação à direção em que o tambor gira A rotação do tambor tende a puxar a sapata dianteira firmemente contra ele ao fazer contato melhorando a eficiência de frenagem Alguns tambores têm sapatas dianteiras duplas cada uma com seu próprio cilindro hidráulico outros têm uma sapata na frente e outra atrás com o pivô na frente Essa configuração permite que as duas sapatas sejam forçadas a se separar uma da outra por um único cilindro com um pistão em cada extremidade sendo mais simples e menos potente do que o sistema de duas sapatas dianteiras e está geralmente restrita aos freios traseiros Em ambos os tipos as molas de retorno puxam as sapatas um pouco para trás quando os freios são liberados O curso da sapata é mantido o mais curto possível através de um ajustador automático por meio de uma catraca Os freios a tambor são mais susceptíveis ao efeito de fading se forem aplicados repetidamente em um curto período eles aquecem e perdem sua eficiência até que esfriem novamente Os discos por apresentar uma construção mais aberta são muito menos propensos ao fading 120 Fonte adaptado de How a Car Works 20211 Figura 523 Tambor de freio Freio de estacionamento além do sistema de freio hidráulico todos os veículos possuem um freio de estacionamento mecânico atuando sobre duas rodas geralmente as traseiras O freio de estacionamento oferece uma frenagem limitada caso haja a falha do sistema hidráulico mas o seu objetivo principal é como freio de estacionamento A alavanca do freio de estacionamento de mão puxa um cabo ou um par de cabos ligados aos freios por um conjunto de alavancas polias e guias menores cujos detalhes variam muito entre os veículos Uma catraca na alavanca do freio de mão mantém o freio acionado assim que é aplicado Um botão de pressão desengata a catraca e libera a alavanca Nos freios a tambor o sistema de freio de estacionamento pressiona as lonas de freio contra os tambores Existe no entanto um mecanismo de freio de estacionamento eletromecânico cuja função principal é evitar que o veículo deslize acidentalmente e portanto substitui o freio de mão convencional Além de atuar como freio de estacionamento este 121 mecanismo permite segurar os freios quando o veículo está parado e no trânsito anda e para além de segurar o veículo em um aclive ou declive a partir da imobilidade ao rebocar um trailer e na operação stopstart Essas funções de conveniência e segurança são integradas à estratégia de regulação do ESCESP Fonte adaptado de How a Car Works 20211 Figura 524 Freio de estacionamento mecânico Fonte Schuller et al 2010 Figura 525 Freio de estacionamento eletromecânico 122 532 Sistema antibloqueio de frenagem A melhor maneira de evitar travamentos das rodas é aplicar uma frenagem cadenciada Um motorista com esta habilidade pode evitar o travamento das rodas mas o sistema antibloqueio de frenagem Antilock Braking System ABS faz este trabalho automaticamente e geralmente com mais eficiência Todos os veículos novos no Brasil devem possuir ABS por efeito de lei efetivo em 2014 O sistema antibloqueio aplica automaticamente uma forma de frenagem cadenciada detectando quando uma roda está prestes a travar liberando o freio dessa roda e em seguida reaplicandoo imediatamente Logo este sistema é constituído por três partes principais um meio para verificar quando uma roda está prestes a travar um meio para liberar o seu freio e um meio para restaurar a pressão da linha de freio após a liberação O terceiro recurso é necessário porque o sistema antibloqueio deve funcionar sem que o motorista libere e reaplique a pressão no pedal do freio e sem que o pedal afunde no chão final do curso O pneu do veículo oferece sua melhor aderência imediatamente antes de escorregar Qualquer método de detecção de uma roda prestes a travar deve portanto permitir que sua velocidade caia ligeiramente abaixo da velocidade de rotação livre Desta forma o sistema não deve reagir com muita brevidade e ainda deve funcionar rapidamente uma vez que o ponto de melhor aderência tenha sido ultrapassado Na prática existem duas maneiras de detectar se uma roda está prestes a travar sua velocidade pode ser comparada com a das outras rodas ou a taxa de desaceleração pode ser medida Em ambos os casos a pressão hidráulica no freio pode ser liberada se a desaceleração for muito grande Os sistemas eletrônicos baseados em uma central de controle funcionam verificando a velocidade das rodas umas contra as outras mas geralmente fazem uma verificação dupla ao monitorar a taxa de desaceleração também Esses sistemas são complexos e relativamente caros Alguns sistemas antibloqueio usam sensores mecânicos que detectam quando uma roda está desacelerando muito rapidamente 123 A pressão hidráulica para os freios é cortada por válvulas solenoides eletrônicas A unidade hidráulica também contém uma bomba e um acumulador para manter a pressão para reaplicar os freios Fonte adaptado de How a Car Works 20212 Figura 526 Diagrama do sistema ABS Existem outros subsistemas que trabalham em conjunto com o ABS de maneira a melhorar a resposta dinâmica do veículo e principalmente garantir a segurança dos ocupantes seja por manter a trajetória do veículo em manobras ou frenagens de emergência seja por dar previsibilidade ao motorista nestas situações Estes subsistemas são listados a seguir Controle Eletrônico de Estabilidade Electronic Stability ControlProgram ESCESP intervém nos freios e até no motor com o objetivo de evitar uma perda iminente de controle do veículo Controle de tração Traction Control System TCS trabalha em conjunto com o ESC de modo a restaurar a tração de rodas que comecem a girar em falso escorregar seja frenando seja cortando a aceleração ou o torque do motor Distribuição eletrônica da força de frenagem Electronic Brakeforce Distribution EBD distribui a força de frenagem entre as rodas com o objetivo de manter a trajetória do veículo 124 Sistema de assistência à frenagem Brake Assist System BAS interpreta a velocidade e a força com que o pedal do freio é pressionado detecta se o motorista está tentando executar uma parada de emergência e se o pedal do freio não estiver totalmente acionado o sistema se sobrepõe e aplica totalmente os freios até o ABS assumir e impedir o travamento das rodas Controle de frenagem em curva ou vetorização de torque Cornering Brake Control CBC controla a intensidade da frenagem em cada roda em curva com o objetivo de manter a trajetória do veículo Conclusão Vimos neste bloco todos os sistemas responsáveis por ligar o veículo ao solo Estes sistemas são fundamentais para a correta dinâmica e manobrabilidade do veículo lhe conferindo conforto e principalmente segurança Pudemos compreender o funcionamento dos diversos tipos de suspensão além das suas características Na sequência estudamos os sistemas de direção e compreendemos a relação fundamental que tal sistema possui com o sistema de suspensão para garantir a segurança do veículo e dos seus ocupantes Finalmente estudamos o sistema de freio e os seus subsistemas que têm por objetivo controlar a dirigibilidade do veículo garantindo o controle e a segurança geral 125 REFERÊNCIAS BARTON D C FIELDHOUSE J D Automotive Chassis Engineering Reino Unido Springer 2018 MUIR A How the Braking System Works How a Car Works 20211 Disponível em httpswwwhowacarworkscombasicshowthebrakingsystemworks Acesso em 4 maio 2021 MUIR A How ABS Works How a Car Works 20212 Disponível em httpswwwhowacarworkscomtechnologyhowabsworks Acesso em 5 maio 2021 POWER STEERING Audi Technology Portal 2021 Disponível em httpswwwaudi technologyportaldeenchassiswheelsuspensionsteeringpowersteering Acesso em 4 maio 2021 REIMPELL J et al The Automotive Chassis Engineering Principles 2 ed Alemanha ButterworthHeinemann 23 maio 2001 SCHULLER P et al Brake System Wheels and Tyre Pressure Sensing ATZextra Worldwide Alemanha 15 11 132139 set 2010 STENGEL C et al Axle System and Air Suspension ATZextra Worldwide Alemanha v 15 n 11 p 118125 set 2010 126 6 ELETROELETRÔNICA TENDÊNCIAS E TECNOLOGIAS FUTURAS Apresentação Este último bloco irá abordar o sistema eletroeletrônico dos veículos atuais bem como os seus principais componentes e funções Iremos compreender o conceito da multiplexação e da comunicação elétrica entre os componentes A seguir será apresentada a eletrificação dos veículos uma tendência que vem ganhando força especialmente nos últimos anos desde as soluções híbridas até o veículo puramente elétrico Por fim iremos conhecer os veículos autônomos que com o aumento da eletrificação dos veículos encontraram um terreno fértil para poder se desenvolver 61 Sistema elétrico O sistema elétrico de um veículo é similar ao sistema circulatório humano pois a partir da bateria coração que possui a eletricidade sangue flui ao longo dos fios vasos sanguíneos para os sistemas e componentes que necessitam dela antes de retornar à bateria Na verdade a analogia é ainda mais próxima quando consideramos que assim como o sangue a corrente elétrica flui em apenas uma direção da bateria ao componente que está sendo alimentado e de volta à bateria através do chassi do veículo Adicionalmente assim como o sangue flui sob pressão a eletricidade também a pressão em que flui é medida em volts tensão elétrica e a quantidade de eletricidade que flui em amperes corrente elétrica Assim conforme a eletricidade flui ela encontra resistência quando o fio pode conduzir menos análogo a um vaso sanguíneo mais estreito um efeito que é medido em ohms resistência elétrica Se essa resistência for muito alta isto é se o fio for muito fino gerase calor No passado o sistema elétrico de um veículo era relativamente simples constituído por poucos componentes Contudo com o passar do tempo diversos sistemas e componentes elétricos e eletrônicos foram sendo adicionados ao veículo como sistemas de controle e diagnose gerenciamento do trem de força sistema de climatização de infoentretenimento de segurança de controle de emissões de assistência à condução enfim uma quantidade muito grande de consumidores 127 elétricos que demandam unidades de controle chips e centenas de metros de cabos chicotes adicionais isso sem contar a recente eletrificação dos veículos e os sistemas com 48 V Estimase que atualmente possam haver de cinquenta a cento e cinquenta chips e mais de dois quilômetros de cabos elétricos por veículo a depender do seu tamanho e aplicação Fonte Audi Technology Portal 2021 Figura 61 Sistema elétrico de um veículo atual 611 Componentes O sistema elétrico de um veículo é um circuito fechado com uma fonte de alimentação independente a bateria A figura a seguir apresenta os componentes principais do sistema elétrico Fonte adaptado de Reif 2014 Figura 62 Sistema elétrico de um veículo de duas baterias 128 A seguir são listados os principais componentes do sistema elétrico Bateria é responsável por armazenar a energia elétrica do veículo Ela é utilizada para acionar os sistemas e componentes elétricos quando o motor estiver desligado e fornecer energia ao motor de partida de modo que ele possa por sua vez partir o MCI Alternador é responsável por fornecer a energia elétrica a todos os sistemas e componentes elétricos quando o MCI estiver funcionando uma vez que ele é acionado pelo motor através da correia de acessórios O excesso de corrente elétrica gerada e não consumida é destinado para carregar a bateria Motor de partida é responsável por partir o MCI Além dos componentes listados acima os veículos possuem outros subsistemas que compõem o sistema elétrico como segue Gerenciamento do motor é de responsabilidade da ECU um dos componentes elétricos mais demandados em um veículo Seus cálculos e comandos são realizados em milésimos de segundos uma vez que o motor demanda respostas imediatas e complexas O poder de processamento da ECU é um dos maiores em um veículo e geralmente é utilizado um processador de 32bits Existem de vinte a cinquenta sensores monitorados em tempo real pela ECU e de vinte a trinta atuadores sendo comandados por ela Gerenciamento da caixa de câmbio é de responsabilidade da unidade de controle do câmbio Transmission Control Unit TCU quando se tem um câmbio automático ou automatizado A TCU trabalha em conjunto com a ECU trocando mensagens sinais de sensores e comandos entre si Eletrônica do chassi vários sistemas e subsistemas do chassi são monitorados e comandados pela unidade de controle central do veículo Dentre os vários sistemas se destacam o ABS TCS BAS EBD ESCESP etc 129 Segurança passiva é de responsabilidade da unidade de controle central monitorar e comandar os sistemas de segurança passiva como os air bags por exemplo Outros sistemas a unidade central também controla os sistemas de assistência à condução de conforto a bordo de infoentretenimento e os sistemas eletrônicos integrados de cockpit 612 Multiplexação Tendo em vista o aumento considerável de sistemas e componentes eletroeletrônico nos veículos e os impactos acarretados por ele como a utilização de diversas unidades de controle chips e centenas de cabos elétricos adicionais foi necessário desenvolver um meio para controlar todas estas unidades organizar as comunicações com elas e reduzir a quantidade de cabos elétricos A solução foi adotar a multiplexação nos veículos A multiplexação é um método de combinação de vários sinais analógicos ou digitais em um só sinal por meio de um canal de comunicação compartilhado Ela se originou na telegrafia em torno de 1870 e é aplicada amplamente nas comunicações e desde o final da década de 1980 nos veículos O sinal multiplexado é basicamente transmitido por um cabo A multiplexação divide a capacidade do cabo em vários canais lógicos um para cada fluxo de dados ou sinal de mensagem a ser transferido O processo reverso a demultiplexação extrai os canais originais na extremidade do receptor Através da multiplexação foi possível organizar a comunicação entre as diversas unidades de controle do veículo e a unidade de controle central Para isso foi necessário desenvolver protocolos de comunicação de modo a ordenar os comandos baseados em prioridade Dessa forma uma comunicação de um sistema de segurança ou de regulamentação terá prioridade em relação às demais comunicações que se originem no mesmo instante 130 O tempo entre um comando e a sua ação exemplifica o funcionamento da multiplexação Ao acionar a buzina ou ao ligar a luz de cortesia interna do habitáculo por exemplo haverá um atraso de alguns milissegundos correspondente ao tempo no qual o sinal de acionamento foi enviado à unidade central do veículo na ordem de comunicação que lhe foi definida ele foi calculado e posteriormente comunicado ao componentesistema para acionamento Um veículo pode possuir diversos protocolos de comunicação um para cada tipo de sistema para cada complexidade ou tempo de resposta Estas comunicações sempre passam pela unidade de controle central mesmo quando a comunicação é de duas unidades secundárias entre si 62 Eletrificação dos veículos Assim como dito anteriormente a eletrificação dos veículos não é mais uma tendência já é uma realidade concreta Existem vários motivos para este movimento sendo o mais nobre de todos a crescente demanda pelo aumento da sustentabilidade Sendo os veículos um dos participantes da poluição global cabe a eles também cooperar com a redução das emissões e apostar em fontes de energia limpa Dessa forma a eletrificação dos veículos lhes permitiu melhorar as suas eficiências abrindo espaço para novas tecnologias e novas aplicações Ademais com o ganho de escala visto nos últimos anos o custo de algumas tecnologias caiu dramaticamente e continuarão a cair como por exemplo o custo de uma bateria de LiIon que caiu 70 nos últimos 20 anos e o custo de um veículo com célula de combustível alimentado com hidrogênio líquido que caiu 80 no mesmo período Em paralelo o avanço da tecnologia permitiu melhorar a eficiência de alguns componentes chave como as baterias que atualmente são capazes de armazenar mais energia com um mesmo tamanho aumento da densidade energética de armazenamento além do desenvolvimento massivo sobre novos e rápidos meios de carregamento que chegam a permitir 100 km de autonomia com apenas 15 min de carregamento ou menos em pontos de carregamento de alta tensão 131 Veremos a seguir os diferentes níveis de eletrificação disponíveis nos veículos atualmente desde o micro híbrido até o veículo elétrico a bateria Vale notar ainda que a eletrificação não se limita apenas à tração dos veículos mas também está sendo incorporada em diversos sistemas e substituindo componentes tradicionais do veículo Todo este movimento está aportando ganhos substanciais de eficiência energética aos veículos e isso é só o começo 621 Veículos híbridos As constantes demandas e regulamentações para a redução das emissões dos MCIs e consequentemente do consumo de combustível sem prejuízo as atribuições correntes dos motores como performance segurança durabilidade confiabilidade e manutenção têm criado o ambiente perfeito para o desenvolvimento de novas tecnologias híbridas com o objetivo de melhorar ainda mais a eficiência e a prestação dos veículos dotados de MCIs Essas tecnologias híbridas se baseiam na eletrificação de componentes sistemas ou do próprio trem de força do veículo Geralmente os veículos híbridos possuem duas fontes de energia um motor de combustão interna convencional e um motor elétrico ME como fonte alternativa permitindo assim aumentar a potência do veículo potência total combinada reduzir o consumo de combustível e as emissões No entanto não há a adoção de um ME que defina o veículo como híbrido na verdade essa definição é dada quando a energia para a propulsão do veículo é proveniente de dois ou mais tipos de fontes Iremos nos ater neste bloco aos trens de força formados por um MCI e um ME Os veículos híbridos podem ser acionados de três maneiras distintas Em série o MCI funciona como um gerador motorgerador gerando energia para o ME e para a bateria Como ele não é responsável pela tração do veículo o motor é gerenciado de maneira eficiente atendendo as regulamentações independentemente da condição de dirigibilidade do veículo Este acoplamento faz uso de dois MEs e um MCI onde um ME funciona como gerador enquanto o outro como motor 132 Assim o MCI funciona em modo estacionário na zona de melhor eficiência térmica e por não haver acoplamento entre o MCI e o ME há a possibilidade de instalação do ME separado do MCI Contudo ocorrem muitas conversões de energia impondo perdas de rendimento Fonte adaptado de Naunheimer et al 2014 Figura 63 Acoplamento em série Em paralelo ambos os MCI e ME podem tracionar o veículo sendo o MCI acoplado diretamente às rodas O ME é acoplado em paralelo ao MCI podendo acrescentar torque ao movimento O MCI pode ainda utilizar o ME como gerador de modo que ele por sua vez possa carregar a bateria não se fazendo necessário o uso de um gerador como no caso do acoplamento simples Fonte adaptado de Naunheimer et al 2014 Figura 64 Acoplamento em paralelo 133 Combinado sérieparalelo sistema duplo ou powersplit incorpora os componentes dos acoplamentos em série e em paralelo ou seja um motor e um gerador A potência do MCI é dividida entre o acoplamento em série do MCI ao gerador e o acoplamento em paralelo do MCI às rodas O Toyota Prius é o exemplo mais conhecido deste acoplamento Fonte adaptado de Naunheimer et al 2014 Figura 65 Acoplamento combinado Existem diversos sistemas diferentes para a propulsão alternativa como segue Híbrido completo Full Hybrid Electric Vehicle FHEV o veículo pode funcionar apenas com o MCI com o ME ou com uma combinação dos dois O Toyota Prius é o exemplo mais conhecido a utilizar este sistema Não é possível carregar um veículo híbrido completo sua bateria é recarregada apenas pelo funcionamento do motor Tratase do sistema híbrido mais eficiente podendo trabalhar em série em paralelo ou apenas em modo elétrico em velocidades reduzidas trânsito nos centros urbanos podendo trabalhar também como um extensor de autonomia range extender quando o MCI funciona como um gerador elétrico e a tração do veículo é elétrica Assim sendo é o sistema mais caro maior investimento inicial Híbrido moderado mild hybrid possui um MCI e um ME que sempre trabalham juntos Um exemplo da utilização deste sistema é o Honda Accord Hybrid Os híbridos moderados não podem funcionar apenas no modo elétrico ou apenas no modo de combustão interna seus motores funcionam sempre em paralelo 134 Híbrido plugin Plugin Hybrid Electric Vehicle PHEV assim como o nome sugere requer uma conexão à rede elétrica para recarregar totalmente a bateria Os PHEVs podem funcionar apenas no modo elétrico porém o seu MCI não é suficiente para carregar completamente a sua bateria Possui o mesmo sistema de um FHEV mas com baterias maiores que podem ser carregadas na tomada permitindo uma autonomia maior do que um FHEV Micro híbrido são veículos que possuem sistemas e componentes elétricos automatizados que os ajudam a melhorar a eficiência e reduzir o consumo como stopstart sistema que desliga o motor numa parada do veículo e volta a partilo quando o motorista pisa na embreagem ou tira o pé do freio reduzindo o consumo de combustível a cada parada freios regenerativos que transformam a energia cinética da frenagem em energia elétrica que é armazenada na bateria gerenciamento do MCI quando acoplado a um ME fazendoo funcionar somente quando necessário e para gerar energia motor gerador trabalhando como um range extender adoção do ciclo Atkinsonum ciclo de potência reduzida e de maior eficiência do MCI com potência complementada por um ME e aplicação de uma caixa de velocidades CVT câmbio continuamente variável Continuously Variable Transmission que privilegia a utilização do MCI na zona de menor consumo específico de combustível Tabela 61 Classes de híbridos Fonte adaptado de Naunheimer et al 2014 135 622 Veículos elétricos Vimos anteriormente os diversos tipos e configurações de veículos eletrificados os híbridos no entanto eles não são classificados como veículos elétricos Um veículo totalmente elétrico é movido exclusivamente por motores elétricos e a eletricidade pode vir de uma bateria de um painel solar ou de uma célula de combustível Trataremos neste bloco os dois modelos de veículos elétricos viáveis no momento Veículo elétrico à bateria Battery Electric Vehicle BEV o ME é o único motor do veículo e dentro de uma determinada faixa de velocidade ele tem a característica de motor ideal Pode ser operado a partir do repouso ou seja velocidade zero do motor e aplicar torque Uma bateria é usada como acumulador de energia elétrica obrigandoo a ser carregado a partir de uma rede de energia antes que ele possa entrar em movimento de maneira elétrica e portanto sem emissões em um determinado trecho de estrada Em seguida ele deve ser reconectado à rede de energia para recarga Não é essencial ter um conversor de torquevelocidade adicional Fonte adaptado de Naunheimer et al 2014 Figura 66 Veículo elétrico à bateria Veículo elétrico com célula de combustível Fuel Cell Electric Vehicles FCEV a célula de combustível utiliza o hidrogênio líquido pressurizado que ao ser combinado ao ar gera eletricidade para o ME Diferentemente dos demais sistemas o FCEV não necessita de grandes e pesadas baterias para funcionar Assim como um veículo convencional o seu combustível é transportado em um tanque podendo ser abastecido em poucos minutos em um posto de 136 combustível tradicional desde que este possua a infraestrutura necessária para o abastecimento do hidrogênio líquido que é obtido por meio da eletrólise processo que utiliza a eletricidade e a água Da mesma maneira que outros veículos elétricos o FCEV não emite gases poluentes pelo contrário emite apenas vapor de água em pequena quantidade Fonte adaptado de Naunheimer et al 2014 Figura 67 Veículo elétrico com célula de combustível Fonte adaptado de Naunheimer et al 2014 Figura 68 Esquema do processo de uma célula de combustível de hidrogênio oxigênio 137 63 Veículos autônomos O veículo autônomo Autonomous Vehicle AV é um veículo capaz de sentir e monitorar o ambiente no qual se encontra e se mover com segurança com pouca ou nenhuma intervenção humana Para isso eles combinam uma variedade de sensores para verificar seus arredores como radar lidar sonar GPS hodometria e instrumentos de medida inercial Os sistemas de controle avançados interpretam as informações sensoriais para identificar caminhos de navegação apropriados bem como obstáculos e sinalização relevante Há uma diferença conceitual entre um veículo automatizado e um veículo autônomo automatizado é um veículo concebido e construído para se deslocar de forma autônoma durante determinados períodos sem supervisão contínua do condutor mas em relação ao qual ainda se espera ou se exige a intervenção do condutor autônomo é um veículo que foi projetado e construído para se mover de forma autônoma sem qualquer supervisão ou intervenção do motorista Fonte Audi Media Center 2021 Figura 69 Sistema de câmeras sensores radares e GPS de um veículo automatizado 138 Um sistema de classificação com seis níveis foi publicado em 2014 pela Society of Automotive Engineers SAE International a norma SAE J3016 Taxonomy and Definitions for Terms Related to OnRoad Motor Vehicle Automated Driving Systems Essa classificação é baseada na quantidade de intervenção do motorista e na atenção necessária ao invés das capacidades do veículo A SAE atualizou a classificação em 2016 chamada agora por SAE J3016201609 como segue Nível 0 o sistema automatizado emite avisos e pode intervir momentaneamente mas não tem controle sustentável do veículo Nível 1 com as mãos o motorista e o sistema automatizado compartilham o controle do veículo Exemplos sistemas em que o motorista controla a direção e o sistema automatizado controla a potência do motor para manter uma velocidade definida piloto automático ou a potência do motor e do freio para manter e variar a velocidade ACC sistema de assistência ao estacionamento em que a direção é automatizada enquanto a velocidade está sob controle manual O motorista deve estar pronto para retomar o controle total a qualquer momento O sistema de alerta de mudança de faixa tipo 2 é mais um exemplo de nível 1 de direção autônoma A frenagem automática de emergência que alerta o motorista em caso de acidente e permite a capacidade total de frenagem também é um recurso de Nível 1 Nível 2 sem as mãos o sistema automatizado assume o controle total do veículo aceleração frenagem e direção O motorista deve monitorar a condução e estar preparado para intervir imediatamente a qualquer momento se o sistema automatizado não responder adequadamente A terminologia sem as mãos não deve ser entendida literalmente o contato entre a mão e o volante é frequentemente obrigatório durante a condução SAE 2 para confirmar que o motorista está pronto para intervir Os olhos do motorista podem ser monitorados por câmeras para confirmar se o motorista está mantendo sua atenção no trânsito Exemplo o controle de cruzeiro adaptativo que também utiliza a tecnologia de assistência de manutenção de faixa para que o motorista simplesmente monitore o veículo 139 Nível 3 sem os olhos o motorista pode desviar com segurança sua atenção das tarefas de direção por exemplo o motorista pode enviar uma mensagem de texto ou assistir a um filme O veículo vai lidar com situações que exigem uma resposta imediata como frenagem de emergência O motorista ainda deve estar preparado para intervir dentro de um prazo limitado especificado pelo fabricante quando solicitado pelo veículo para fazêlo Você pode pensar no sistema automatizado como um copiloto que o alertará de maneira ordenada quando for sua vez de dirigir Exemplo um motorista de engarrafamento ou um veículo que satisfaça os regulamentos internacionais do sistema automatizado de manutenção de pistas Nível 4 sem a mente similar ao nível 3 mas nenhuma atenção do motorista é necessária para a segurança por exemplo o motorista pode ir dormir com segurança ou sair de seu assento No entanto a direção autônoma é suportada apenas em áreas espaciais limitadas ou em circunstâncias especiais Fora dessas áreas ou circunstâncias o veículo deve ser capaz de abortar a viagem com segurança por exemplo diminuir a velocidade e estacionar o veículo se o motorista não retomar o controle Exemplo táxi robótico ou um serviço de entrega robótica que cobre locais selecionados em uma área em um horário e quantidades específicas Nível 5 volante opcional nenhuma intervenção humana é necessária Exemplo um veículo robótico que funciona em todos os tipos de superfícies em todo o mundo durante todo o ano em todas as condições meteorológicas 140 Conclusão Ao final deste bloco fica evidente a importância dos sistemas e componentes eletroeletrônicos cada vez mais presentes e numerosos nos veículos Não se trata de uma tendência é claramente uma realidade que anda de mãos dadas com a eletrificação dos veículos de maneira a aumentar a eficiência dos sistemas existentes e adicionar novos sistemas processos e funções todos em linha com a melhoria da eficiência geral e com os anseios ambientais atuais Compreendemos a eletrificação dos veículos e os diversos modelos disponíveis até chegar aos veículos autônomos e os seus níveis de autonomia REFERÊNCIAS AUTOMATED DRIVING Audi Media Center 2021 Disponível em httpswwwaudi mediacentercomenautomateddriving3651 Acesso em 6 maio 2021 ELECTRICS ELECTRONICS Audi Technology Portal 2021 Disponível em httpswwwauditechnologyportaldeenelectricselectronics Acesso em 6 maio 2021 NAUNHEIMER H et al Automotive Transmissions Fundamentals Selection Design and Application 2 ed Alemanha Springer 11 out 2014 REIF K Fundamentals of Automotive and Engine Technology Standard Drives Hybrid Drives Brakes Safety Systems Alemanha Springer 10 jul 2014 REFERÊNCIAS COMPLEMENTARES BRUNETTI F Motores de Combustão Interna Volume I São Paulo Blucher 1 jan 2012