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Dinamica 4x4 - Romeu Fontana

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ROMEU FONTANA

ESTUDO DAS CARACTERSTICAS DINMICAS DE UM VECULO 4x4

Trabalho de Concluso apresentado Escola Politcnica da Universidade de So Paulo para obteno do Ttulo de Mestre em Engenharia rea de Concentrao: Engenharia Automotiva Orientador: Prof. Dr. Marcelo A. Leal Alves

So Paulo 2005

I

Dedico meu trabalho memria de meus pais, Romeu Fontana e Edil Pinotti Fontana, aos quais devo toda a minha formao.

II

AGRADECIMENTOS

SAE Brasil (Society of Automotive Engineers) pela bolsa de estudos que me foi concedida para cursar o Mestrado Profissional em Engenharia Automotiva da Escola Politcnica da USP.

minha esposa pela ateno e incentivo constantes.

Aos Professores Marcelo A. Leal Alves e Omar Moore de Madureira pela objetividade e apoio fundamentais para o desenvolvimento deste trabalho.

Ao Engenheiro William F. Milliken pelos excelentes livros publicados sobre Dinmica de Veculos.

III

RESUMO

Este trabalho um estudo de caso sobre uma caminhonete com trao 4x4, cujo desenvolvimento apresentou problemas de estabilidade direcional durante uma srie de testes de frenagem, realizados com e sem travamento das rodas. So mostrados os conceitos gerais do veculo de maneira detalhada, porm preservando-se o devido sigilo com relao a detalhes de projeto que so confidenciais da montadora. Trata-se de uma anlise da dinmica do veculo, iniciada com o clculo do centro de gravidade; verificada a geometria da suspenso e direo, bem como o balanceamento e distribuio do peso nas quatro rodas. So utilizados clculos matemticos para mensurar os resultados de transferncia de peso, tanto no sentido longitudinal (frenagens) como no lateral (curvas). Na transferncia de peso longitudinal verificada a deflexo da suspenso dianteira e o angulo de atitude do veculo, e demonstrada a implicao destes fatores com a instabilidade direcional apresentada durante os testes. So propostas algumas solues para o problema e apontadas as vantagens e desvantagens de cada alternativa, onde so abordados tambm os conceitos de geometria da suspenso de forma a evidenciar a soluo recomendada. Na transferncia de peso lateral so calculadas a massa suspensa e as massas no suspensas dianteira e traseira do veculo; so realizados clculos matemticos para verificar a inclinao lateral do veculo durante as curvas, de forma a se definir parmetros de projeto teis para o desenvolvimento de novas verses, ou mesmo para comparao com projetos j existentes.

IV

ABSTRACT

This work is related to the case study of a 4WD pick-up truck; which development has shown some directional stability problems during braking tests, whether those have been performed with wheel locking or not. The general vehicle concepts are shown in detail; however, care has been taken in order not to unveil some design characteristics that are confidential items of the O.E.M. This is a vehicle dynamics analysis, starting with the calculation of the center of gravity; suspension and steering geometry are verified, as well as weight balance and distribution in each wheel. The Mathematics involved is used for the measurement of weight transfer results, either longitudinal (braking) or lateral (curve). In the case of longitudinal weight transfer, the front suspension movement and the vehicle attitude (brake dive) angle are checked, and both factors are related to the directional instability verified during the tests. Some solutions for this problem are proposed, by showing the advantages and disadvantages of each alternative; suspension geometry concepts are also shown, in order to better explain the recommended solutions. In the case of lateral weight transfer, the sprung mass and both front and rear unsprung masses are calculated; mathematic calculation is then performed to verify the vehicle lateral inclination (roll angle) in cornering, so that design parameters are set for the development of new versions, or either for comparison with current models.

V

SUMRIO LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABELAS LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS LISTA DE SMBOLOS 1. INTRODUO 2. REVISO DA LITERATURA 3. METODOLOGIA 3.1 LOCALIZAO DO CG 3.2 CLCULO DO CG 3.2.1 - Localizao Horizontal (x,y) do CG 3.2.2 - Localizao Vertical (z) do CG 3.3. ESTUDO DINMICO 3.3.1 - Testes em Campo de provas 3.3.2 - Coleta de Dados 3.3.3 - Transferencia de Peso Longitudinal 3.3.3.1 Acrscimo da Carga Vertical no Eixo Dianteiro 3.3.3.2 Movimento da Suspenso Dianteira 3.3.3.3 - Mergulho na Frenagem (Brake Dive) 3.4 MODIFICAES PROPOSTAS PARA O VECULO 3.4.1 1a Alternativa Alongamento da Distncia Entre Eixos 3.4.2 2a Alternativa Geometria Anti-mergulho (Anti-dive) 16 16 16 18 27 27 29 34 34 36 39 43 44 52 VIII XI XII XIII 1 11

VI

4. RESULTADOS

53

5. DISCUSSO 5.1 - Estudo da Geometria da Suspenso 5.2 - Centro Instantneo (Instant Center) 5.3 - Centro de Rolagem (Roll Center) 5.4 - Eixo tipo Hotchkiss 5.5 - Geometria Anti-mergulho (anti-dive)

57 57 57 58 59 65

6. CONCLUSES

72

7. ANEXO A 7.1 - Transferencia de Peso Lateral 7.2 - Peso no-suspenso dianteiro (Front unsprung weight) 7.3 - Peso no-suspenso traseiro (Rear unsprung weight) 7.4 - Peso suspenso (Sprung weight) 7.5 - Gradiente de rolagem (Roll gradient) 7.6 - Transferncias individuais de peso em cada eixo 7.7 - Parmetros de Referncia

74 74 78 79 80 82 86 89

8. ANEXO B - GRAU DE MOBILIDADE DA SUSPENSO DIANTEIRA

90

9. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

91

VII

LISTA DE FIGURAS Fig.1.1 PU 4x4 Vista Isomtrica Fig. 1.2 - PU 4x4 Vista Lateral Fig. 1.3 - PU 4x4 Vista Dianteira Fig. 1.4 - PU 4x4 Vista Traseira Fig. 1.5 - PU 4x4 Vista Superior Fig. 1.6 - PU 4x4 Eixo, Suspenso Dianteira e Direo Vista Isomtrica Fig. 1.7 - PU 4x4 - Sistema de Suspenso Dianteira e Direo Vista Frontal Fig. 1.8 - PU 4x4 - Sistema de Suspenso Dianteira e Direo Vista Superior Fig. 1.9 - PU 4x2 - Sistema de Suspenso Dianteira e Direo Fig. 3.2.1.1 - Localizao horizontal do centro de gravidade Fig. 3.2.2.1 Medio do peso para determinao do CG Fig. 3.2.2.2 Medio do peso para determinao do CG Fig. 3.2.2.3 Medio do peso para determinao do CG Fig. 3.2.2.4 Medio do peso para determinao do CG Fig. 3.2.2.5 Localizao vertical do centro de gravidade Fig. 3.2.2.6 Medio do angulo de inclinao para clculo do CG Fig. 3.3.2.1 Mecanismo de Direo Fig. 3.3.2.2 Modelo 3D do conjunto direo, suspenso e eixo dianteiro Fig. 3.3.2.3 Modelo 3D do conjunto direo, suspenso e eixo dianteiro 2 3 4 5 6 7 8 9 10 17 18 19 20 21 22 23 29 30 31

Fig. 3.3.2.4 Grfico de Convergncia da Roda Dianteira Esquerda vs. Curso da Suspenso 32

VIII

Fig. 3.3.2.5 Grfico de Divergncia da Roda Dianteira Direita vs. Curso da Suspenso 33 Fig. 3.3.3.1.1 Acelerao Longitudinal Fig. 3.4.1.1 Chassi PU 121wb 4x4 Vista Isomtrica Fig. 3.4.1.2 Chassi PU 121wb 4x4 Conjunto Dianteiro Fig. 3.4.1.3 Chassi PU 121wb 4x4 Conjunto Dianteiro Fig. 3.4.1.4 Chassi PU 121wb 4x4 Conjunto Dianteiro Fig. 3.4.1.5 Chassi PU 121wb 4x4 Conjunto Dianteiro Fig. 3.4.1.6 Comparao entre os Chassis PU 121wb e 137wb Fig. 3.4.1.7 Comparao entre os Chassis PU 121wb e 137wb Fig. 3.4.1.8 Comparao entre os Chassis PU 121wb e 137wb Fig. 4.1 PU 137wb 4x4 Posio do CG 34 44 45 46 47 48 49 50 51 53

Fig. 4.2 Grficos de Convergncia e Divergncia das Rodas Dianteiras Esquerda e Direita 55 Fig. 5.4.1 PU 121wb 4x4 Geometria (Suspenses Dianteira e Traseira com Feixes de Mola) 60 Fig. 5.4.2 PU 121wb 4x4 Geometria (Suspenso Dianteira com Feixes de Mola) 61 Fig. 5.4.3 PU 121wb 4x4 Geometria (Suspenso Dianteira com Feixes de Mola) 61 Fig. 5.4.4 PU 121wb 4x4 Geometria (Suspenso Traseira com Feixes de Mola) 62 Fig. 5.4.5 PU 121wb 4x4 Geometria (Suspenso Traseira com Feixes de Mola) 62 Fig. 5.4.6 PU 121wb 4x4 Geometria Pro-dive (Suspenses Dianteira e Traseira com Feixes de Mola) 63

IX

Fig. 5.4.7 PU 121wb 4x4 Geometria Pro-dive (Suspenses Dianteira e Traseira com Feixes de Mola) 64 Fig. 5.5.1 PU 121wb 4x4 Transferncia Longitudinal de Peso Fig. 5.5.2 PU 121wb 4x4 Geometria Anti-dive (Suspenso Dianteira com Molas Helicoidais e Braos Longitudinais / Suspenso Traseira com Feixes de Mola) 66 Fig. 5.5.3 PU 121wb 4x4 Suspenso Dianteira com Molas Helicoidais e Braos Longitudinais Fig. 5.5.4 PU 121wb 4x4 Suspenso Dianteira com Molas Helicoidais e Braos Longitudinais Fig. 5.5.5 PU 121wb 4x4 Geometria Anti-dive (Suspenso Dianteira com Molas Helicoidais e Braos Longitudinais / Suspenso Traseira com Feixes de Mola) 69 Fig. 5.5.6 PU 121wb 4x4 Geometria Anti-dive (Suspenso Dianteira com Molas Helicoidais e Braos Longitudinais) 70 67 68 65

Fig. 6.1 PU 121wb 4x4 Geometria Anti-dive (Suspenso Dianteira com Feixes de Mola invertidos) 72 Fig. 7.1.1 - Feixes de Mola Traseiros PU 121wb 4x4 Fig. 7.1.2 - Eixo Traseiro PU 121wb 4x4 Fig. 7.1.3 - Eixo Dianteiro PU 121wb 4x4 Fig. 7.4.1 Geometria da Transferencia de Peso Lateral PU 121wb 4x4 (GVW) 81 75 76 77

X

LISTA DE TABELAS Tab. 3.1.1 - Medies na Caminhonete Tab. 3.1.2 - Medies na Caminhonete Tab. 3.1.3 - Medies na Caminhonete Tab. 3.1.4 Clculo do CG Tab. 3.3.3.1.1 Clculo do Acrscimo da Carga Vertical no Eixo Dianteiro Wx Tabela 7.1.1 Componentes no-suspensos PU 121wb 4x4 Tabela 7.5.1 Gradientes de Rolagem tpicos 24 24 24 26 35 75 85

XI

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS CAD CAE CC RC SC SSR VD Wb Desenho auxiliado por computador Engenharia auxiliada por computador Cabine dupla (Crew cab) Cabine simples (Regular cab) Cabine estendida (Super cab) Coeficiente de deformao esttico (Static spring rate) Dinmica de veculos (Vehicle Dynamics) Distncia entre eixos (Wheelbase)

XII

LISTA DE SMBOLOS 4WD AX AY CG F FAD FXF FXR GVW IC KFA KRA KR KT KW KF, KR L L M M RLF, RLR RL CG S Trao nas 4 rodas (4 wheel drive) Acel

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