UNIVERSIDADE FEDERAL DOS VALES DO JEQUITINHONHA E MUCURI INSTITUTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA CURSO DE BACHARELADO EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA
ANÁLISE DE CONFIGURAÇÕES E APLICAÇÕES DE SISTEMAS DE DIREÇÃO VEICULAR
Mailson Fernandes de Oliveira
Diamantina-MG 2012
UNIVERSIDADE FEDERAL DOS VALES DO JEQUITINHONHA E MUCURI INSTITUTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
ANÁLISE DE CONFIGURAÇÕES E APLICAÇÕES DE SISTEMAS DE DIREÇÃO VEICULAR
Mailson Fernandes de Oliveira Orientador:
Prof. Msc. Bruno Silva de Sousa Co-orientador:
Eng. Marcelo Henrique Tavares Gomes
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Bacharelado em Ciência e Tecnologia, como parte dos requisitos exigidos para a conclusão do curso.
Diamantina-MG 2012
DEDICATÓRIA
“Dedico este trabalho ao Sr.Alvino e
Sra.Ana meus pais que sempre me deram apoio nesta minha jornada em busca do conhecimento”.
AGRADECIMENTOS Ao Prof. Msc. Bruno Silva de Sousa, Sousa, pela atenção e apoio durante o processo de definição e orientação.
Ao Eng. Mecânico. Marcelo Henrique Tavares Gomes pela atenção e apoio durante o processo de definição e orientação. orientação.
Aos meus companheiros da equipe do sistema de direção da Equipe Baja EspinhAço UFVJM: Khristiann Orlandi, João Victor, Lucas Leite, Raphael Filó e Vinicius Antônio por participarem juntamente juntamente comigo na jornada da busca busca do conhecimento. conhecimento.
“Não é o mais forte que sobrevive,
nem o mais inteligente, mas o que melhor se adapta às mudanças”.
Charles Darwin
RESUMO
FERNANDES, M. F.; ANÁLISE DE CONFIGURAÇÕES E APLICAÇÕES DE
SISTEMAS DE DIREÇÃO VEICULAR , 57p, 2012. Monografia. Bacharelado em Ciência e Tecnologia. Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri. Diamantina. Minas Gerais. As competições da SAE (Society of Automotive Engineering) visam oferecer aos alunos de engenharia a oportunidade de aplicação dos conceitos teóricos recebidos em sala de aula na experiência de um desenvolvimento de um projeto por completo. A competição, criada em 1976 nos EUA e iniciada no Brasil em 1995, está presente em todas as regiões do Brasil, com aproximadamente 70 equipes em mais de 50 universidades acontecendo anualmente em etapas regionais e nacionais. O Baja é um veículo com concepção fora-de-estrada, monoposto, de estrutura tubular e com motor de 10HP de potência padronizado pela SAE. Seu nome é originado dos veículos utilizados como meio de locomoção nas severas condições oferecidas pelo deserto da “Baja Califórnia” (América do Norte). Logo es te
trabalho busca o entender o funcionamento
dos sistemas de direção veicular de modo que através de analises e comparações se possa determinar qual é o melhor o sistema de direção veicular para uma possível aplicação em um veículo das competições da SAE na modalidade Baja off-road. Sendo primeiramente abordado um breve histórico do desenvolvimento dos sistemas de direção, seguida de uma revisão bibliográfica sobre os sistemas mais comuns e utilizados. E finalmente é realizada a análise e comparação dos mesmos, levando em conta as características que são importantes para um veículo das competições SAE na modalidade Baja off-road.
Palavras-chave: SAE Baja. Sistema de direção. Projeto mecânico.
ABSTRACT The competitions SAE (Society of Automotive Engineering) designed to offer engineering students the opportunity to apply theoretical concepts received classroom experience in a development of a project altogether. The competition, established in 1976 in the U.S. and in Brazil started in 1995, is present in all regions of Brazil, with approximately 70 teams from over 50 universities happening annually in regional and national stages. The Baja is a concept vehicle with off-road, single seater, with a tubular frame and engine power 10HP standardized by SAE. Its name originates from vehicles used as a means of locomotion in the harsh desert conditions offered by the "Baja California" (North America). Therefore this paper seeks to understand the functioning of vehicular direction so that through analysis and comparisons can determine which is the best vehicle steering system for a possible application in vehicle Baja SAE competitions in the sport of off-road Baja. As first discussed a brief history of the development of steering systems, followed by a literature review on the most common systems and used. Finally it is done the analysis and comparison of them, taking into account the characteristics that are important for a vehicle competitions in SAE Baja off-road mode. Key-words: SAE Baja, Steering System, Mechanical design.
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 - Sistema “queue de vache”.............. ......................................................
15
FIGURA 2 - Sistema de pivotamento central do eixo.............. ................................
18
FIGURA 3 - Sistema de pivotamento das rodas.......................................................
19
FIGURA 4 - Volante........................................................ ........................................
20
FIGURA 5 - Árvore de direção........................... .....................................................
21
FIGURA 6 - Vista em corte de um mecanismo Rolete & Sem-Fim.... ....................
22
FIGURA 7 - Sistema de direção mecânica com setor e rosca sem-fim....................
23
FIGURA 8 - Sem-fim e Rolete............................ .....................................................
23
FIGURA 9 - Sem-fim com esferas recirculantes......................................................
24
FIGURA 10 - Visão em corte do Sem-fim com esferas recirculantes........ .............
25
FIGURA 11 - Sistema Pinhão e cremalheira com corte transversal......... ...............
26
FIGURA 12 - Sistema Pinhão e cremalheira............................................................
26
FIGURA 13 - Sistemas Pinhão e cremalheira.............................. ............................
27
FIGURA 14 - Vista explodida do Sistema pinhão e cremalheira.............................
27
FIGURA 15 - Sistema Pinhão e cremalheira com assistência hidráulica.................
29
FIGURA 16 - Visão explodida do Sistema Pinhão e cremalheira com assistência hidráulica........................................................ ...........................................................
30
FIGURA 17 - Sistema Pinhão e cremalheira com assistência Eletro-hidráulica................................................... ....................................................
32
FIGURA 18 - Sistema Pinhão e cremalheira com assistência Eletro-hidráulica .....
33
FIGURA 19 - Sistema pinhão e cremalheira com assistência Elétrica ( Família coluna de direção elétrica).....................................................................................................
35
FIGURA 20 - Sistema pinhão e cremalheira com assistência Elétrica ....................
35
FIGURA 21 - Visão com corte transversal do Sistema pinhão e cremalheira com assistência Elétrica (Família coluna de direção elétrica).. .........................................
36
FIGURA 22 - Sistema pinhão e cremalheira com assistência com Elétrica (Família da cremalheira elétrica) .............. ...................................................................................
37
FIGURA 23 - Sistema pinhão e cremalheira com assistência Elétrica (Família do pinhão elétrico)................................... .......................................................................
37
FIGURA 24 - Vista translúcida do setor de direção hidráulica ..... ..........................
38
FIGURA 25 - Vista em corte de dois mecanismos...................................................
39
FIGURA 26 - Desenho 3D de um mecanismo sem o braço pitman.........................
40
FIGURA 27 - Sistema de direção em caminhões................... ..................................
40
FIGURA 28 - Fusca 1936.........................................................................................
41
FIGURA 29 - Kombi 1966................................................. ......................................
42
FIGURA 30 - Maverick – 1976......................................... .......................................
43
FIGURA 31 - Ford mustang-1965............................................................................
43
FIGURA 32 - Ford Ka 2008........................................... ..........................................
45
FIGURA 33 - Fiat Pálio 2007...................................................................................
45
FIGURA 34 - Chevrolet Vectra – 1998....................................................................
46
FIGURA 35 - Chevrolet Monza – 1994................................ ...................................
47
FIGURA 36 - Fiat Stilo 2009........................................................... ........................
48
FIGURA 37 - Chevrolet Astra 1999.........................................................................
48
FIGURA 38 - Mercedes classe B 2012...................... ..............................................
50
FIGURA 39 - Honda Fit 2013................................................. .................................
50
FIGURA 40 - Caminhão Mercedes L1620 – 2011...................................................
51
FIGURA 41 - Caminhão Mercedes 1519 – 1978........................... ..........................
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LISTA DE TABELAS
TABELA 1 - Componentes Sistema pinhão e cremalheira ......................................
28
TABELA 2 - Componentes Sistema pinhão e cremalheira........................ ..............
30
TABELA 3 - Componentes do Sistema Pinhão e cremalheira com assistência Eletrohidráulica.................................................................................. .................................
32
TABELA 4 - Sistema Pinhão cremalheira assistência Eletro-hidráulica..................
33
TABELA 5A - Analise e comparações dos sistemas de direção................ ..............
55
TABELA 5B - Analise e comparações dos sistemas de direção....................... .......
55
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ECU – Unidade eletrônica de controle EPAS – Electric Power Assisted System (Sistema assistido eletricamente) EPHS – Electric Power Hydralic System (Sistema hidráulico eletricamente assistido) HPS – Hydraulic Power System (Mecanismo de direção hidráulica) P&C – Pinhão e cremalheira SAE – Society of Automotive Engineers EPS – Electric power steering
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................
15
1.1 HISTÓRICO ........................................................................................................
15
1.2 OBJETIVO ..........................................................................................................
16
1.3 JUSTIFICATIVA ................................................................................................
17
2 REVISÕES BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................
18
2.1 SISTEMAS DE DIREÇÕES ...............................................................................
18
2.2 TIPOS DE SISTEMAS DE DIREÇÃO ..............................................................
20
2.2.1 DIREÇÃO MECÂNICA ..................................................................................
21
2.2.1.1 DIREÇÃO MECÂNICA COM SETOR E ROSCA SEM-FIM ...................
22
2.2.1.2 DIREÇÃO MECÂNICA DE ESFERAS RECIRCULANTES E ROSCA SEM-FIM ................................................................................................................
24
2.2.1.3 SISTEMA DE DIREÇÃO PINHÃO & CREMALHEIRA ...........................
25
2.2.2 SISTEMA DE DIREÇÃO COM ASSISTÊNCIA ...........................................
28
2.2.2.1 SISTEMA PINHÃO E CREMALHEIRA COM ASSISTÊNCIA ................
28
2.2.2.2 SISTEMA DE DIREÇÃO HIDRAULICAMENTE ASSISTIDO CONVENCIOANAL ................................................................................................
29
2.2.2.3 SISTEMA DE DIREÇÃO COM ASSISTÊNCIA ELETRO-HIDRÁULICA..........................................................................................
31
2.2.2.4 SISTEMA DE DIREÇÃO ELÉTRICO-EPS ................................................
34
2.2.3 SISTEMA INTEGRAL DE DIREÇÃO HIDRÁULICA .................................
38
3 ANÁLISE E APLICAÇÕES ...............................................................................
41
3.1 ANÁLISE E APLICAÇÕES DOS SISTEMAS DE DIREÇÃO ........................
41
3.1.1 APLICAÇÃO DA DIREÇÃO COM SISTEMA DE ROSCA SEM-FIM .......
41
3.1.2 APLICAÇÃO DA DIREÇÃO DE ESFERAS RECIRCULANTES E ROSCA SEM-FIM.............................. ....................................................................................
43
3.1.3 APLICAÇÃO DO SISTEMA PINHÃO E CREMALHEIRA........... ..............
44
3.1.4 APLICAÇÃO DO SISTEMA PINHÃO E CREMALHEIRA ASSISTIDO HIDRAULICAMENTE.................................................................... ........................
46
3.1.5 APLICAÇÃO DO SISTEMA PINHÃO E CREMALHEIRA COM ASSISTÊNCIA ELETRO-HIDRÁULICA.............................................. .................
48
3.1.6 APLICAÇÃO SISTEMA DE DIREÇÃO COM ASSISTÊNCIA ELÉTRICA...................... ..........................................................................................
49
3.1.7 APLICAÇÃO DO SISTEMA INTEGRAL DE DIREÇÃO HIDRÁULICA...................................... ....................................................................
51
4 DISCURSSÃO ....................................... .............................................................
53
5 CONCLUSÃO......................................................................................................
56
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................. ............
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1 - INTRODUÇÃO 1.1 Histórico Um dos muitos mecanismos utilizados em veículos de locomoção é o sistema de direção. Este sistema mecânico é responsável por transmitir os comandos do motorista, a fim de direcionar o veículo para sentido e local desejados. Quando os fabricantes de novos automóveis tiveram de projetar um sistema de direção para veículos, em um primeiro momento, mantiveram-se o mais próximo possível do mecanismo usado nas carruagens. Isto explica a origem do "queue de vache" (rabo de vaca), como mostrado na Figura 1, no qual uma barra de metal ou madeira, geralmente curva em duas direções, através de uma simples conexão, variava o ângulo do eixo dianteiro para a linha central do chassi.
Figura 1 – Sistema “queue de vache” Fonte: < http://www.carroantigo.com/portugues/conteudo/curio_volante.htm>
Esse sistema exigia uma grande força do motorista para conseguir efetuar o esterçamento das rodas, as quais deveriam ter um diâmetro muito pequeno para diminuir um pouco o torque necessário para esterça-las. Naquela época, como o sistema de suspensão era muito rudimentar e estradas pavimentadas quase não existiam, era necessário que o diâmetro das rodas fosse aumentado para que pudessem superar melhor os obstáculos. Assim, surgia a necessidade de um novo sistema de direção que 15
conseguisse efetuar o esterçamento de rodas maiores. Não há dados exatos, mas há indícios de que ao final do século XIX surgiram os primeiros carros a usar o volante como novo sistema de direção para os veículos automotores, uma vez que esse exigia um menor esforço do motorista para conseguir efetuar as manobras necessárias. Uma vez acionado, o movimento de rotação do volante é transmitido por meio de um eixo, que por sua vez transmite esses movimentos a uma caixa de direção, a qual pode ser composta por vários tipos de conjuntos mecânicos. A caixa de direção é um mecanismo desenvolvido para converter os movimentos de rotação do volante em movimentos lineares, transmitidos através de barras articuladas para as rodas dianteiras. Em alguns casos a caixa de direção poderá contar com dispositivos de assistência mecânica, capazes de aumentar gradativamente o torque que foi aplicado pelo motorista ao volante, proporcionando assim uma redução nos esforço para efetuar o esterçamento das rodas dianteiras. O mecanismo de direção deve trabalhar em harmonia com o sistema de suspensão, de modo a evitar ao máximo que o motorista não sofra com as irregularidades da pista. E também, de acordo com as diversas de condições de dirigibilidade, fazer com que as rodas retornem à posição paralela ao veículo, a fim de reduzir os riscos de acidentes e tornar mais fácil as ações e reações implicadas pelo motorista.
1.2 OBJETIVO O objetivo deste trabalho é fazer uma análise comparativa das configurações e aplicações de sistemas de direção veicular, e desse modo definir qual seria o sistema de direção mais adequado para aplicação em um veículo das competições da SAE( Society of Automotive Engineers)
na categoria BAJA off-road.
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1.3 JUSTIFICATIVA As competições da SAE visam proporcionar aos alunos de engenharia uma oportunidade de idealização, concepção, dimensionamento, análises, simulações, fabricação, montagem e testes dos projetos mecânicos, além de oferecer a oportunidade de desenvolver a capacidade de trabalho em equipe. Logo este trabalho torna-se relevante, pois demonstrará aos alunos que almejam participar de tais projetos a importância da escolha correta do sistema de direção a ser empregado, uma vez que esse interfere diretamente no comportamento, na segurança e no custo final de um veículo.
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2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 SISTEMAS DE DIREÇÕES Segundo LEAL (2008), as carruagens em meados dos séculos XVII À XIX possuíam um sistema de direção, o qual era composto por um eixo pivotado na parte dianteira do veículo, fixado em um ponto central, como mostrado na Figura 2. Desse modo, as rodas permanecem paralelas entre si, mantendo uma trajetória perpendicular ao raio de curvatura da conversão. Para que o ângulo de esterçamento seja satisfatório, esse sistema requer um grande espaço vazio, entre o eixo e a estrutura do veículo, ao redor do ponto de pivotamento do eixo. LEAL (2008) também afirma que Georges Langensperger foi quem desenvolveu o conceito de pivotamento das rodas dianteiras, conforme a Figura 3, levando a uma redução do atrito entre as rodas e o piso, facilitando o esterçamento em manobras de baixa velocidade.
Figura 2 – Sistema de pivotamento central do eixo Fonte: < http://www.carroantigo.com/portugues/conteudo/curio_volante.htm>
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Figura 3 – Sistema de pivotamento das rodas Fonte: GILLESPIE(1992)
Segundo GILLESPIE: O sistema de direção dos veículos automotores possui grande importância no comportamento estático e dinâmico. A função do sistema de direção é gerar ângulos nas rodas dianteiras e/ou traseiras em resposta às necessidades impostas pelo condutor, para que ocorra o controle do veículo. Contudo, os ângulos de esterçamento efetivos são modificados pela geometria do sistema de suspensão e pelas condições de tracionamento das rodas, principalmente para os veículos de tração dianteira. (GILLESPIE 1992, apud ARRONILIAS, 2005, p. 2).
Já, de acordo com FONTANA (2005), uma sensação agradável de direção é proporcionada escolhendo-se um mecanismo cuja geometria não permita conflitos entre os deslocamentos horizontais da direção e os movimentos verticais da suspensão. Para a determinação de valores iniciais de projeto para a geometria de direção, é usual considerar o movimento do veículo em um plano horizontal somente, e para as curvas um raio de curvatura constante. Isso permite uma condição de análise da dirigibilidade em regime permanente ( steady state), com premissas simplificadas para a definição de valores iniciais para as variáveis geométricas.
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2.2 TIPOS DE SISTEMAS DE DIREÇÃO A maioria dos sistemas de direção são compostos por alguns elementos em comum. Os elementos mais conhecidos são o volante e a caixa de direção, sendo que o volante é o componente do sistema que interage diretamente com o motorista. Ele geralmente possui forma circular ou semelhante, como representado na Figura 4. Para promover o esterçamento das rodas, conforme a vontade do motorista, é necessária a aplicação de uma força resultante ao volante, de modo que este realize movimentos de rotação em torno do seu centro.
Figura 4 – Volante
A coluna de direção é o elemento do mecanismo responsável por fazer a conexão entre o volante e a caixa de direção. Na maioria das vezes, a coluna possui um sistema articulado, como exemplificado na Figura 5, embora em alguns casos particulares não possua. O sistema articulado é utilizado quando, em função do projeto, não se consegue uma ligação em linha reta entre o volante e a caixa de direção.
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Figura 5 – Árvore de direção Fonte:
Os sistemas de direção possuem diversas configurações de mecanismos, dessas as mais comumente utilizadas são: (i) sistema de direção mecânica; (ii) sistema pinhão e cremalheira e; (iii) sistema integral de direção hidráulica. As configurações citadas serão mais bem detalhadas nas seções seguintes.
2.2.1 DIREÇÃO MECÂNICA O Sistema da direção mecânica trabalha usando uma caixa de direção que auxilia o condutor reduzindo os esforços necessários empregados ao volante para o esterçamento das rodas. Como se trata de um sistema exclusivamente mecânico, quando comparado aos demais sistemas de direção ele leva um pouco de desvantagem por exigir um esforço mais elevado por parte do condutor, assim se é necessário o uso de uma relação de direção mais alta. São utilizados três grupos de sistema com caixa de direção: rosca sem-fim, rosca sem-fim com esferas recirculantes e pinhão e cremalheira.
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2.2.1.1 DIREÇÃO MECÂNICA COM SETOR E ROSCA SEM-FIM O mecanismo do sistema de direção composto por setor e rosca sem-fim possui a caixa de direção composta por um eixo de entrada ao qual na sua extremidade está acoplado o volante, onde o condutor implica o torque necessário, e na outra extremidade está um sistema de rosca sem-fim engrenado no rolete que pertence ao eixo de saída no setor de direção, como exemplificado na Figura 6.
Figura 6 - Vista em corte de um mecanismo Rolete & Sem-Fim Fonte: GILLESPIE (1992)
Quando o condutor rotacionar o volante, automaticamente a rosca sem-fim recebe e transmite o movimento para o setor, ocasionando assim o deslocamento angular do eixo de saída ao qual está acoplado o braço da direção (“braço de pitman’’)(Figura 7). Na extremidade do Pitman estão acopladas as barras de
direção que
possuem a função de efetuar a transmissão do movimento para as mangas de eixo fixadas nas rodas fazendo com que as mesmas estercem. 22
Caixa de direção: o volante aciona um sem-fim e role ou sem-fim e porca que faz girar um braço de Pitman ligado às rodas através de barras de direção e de um braço auxiliar.
Figura 7 – Sistema de direção mecânica com setor e rosca sem-fim Fonte: TARCILA (2010)
Um rolete cônico que se move ao longo de uma forma modificada de sem-fim, existente na extremidade do eixo da direção, move o braço de acionamento como exemplificado na Figura 8.
Figura 8 – Sem-fim e Rolete. Fonte: TARCILA (2010)
23
2.2.1.2 DIREÇÃO MECÂNICA DE ESFERAS RECIRCULANTES E ROSCA SEM-FIM O mecanismo dos Sistemas de direção mecânica de esferas recirculantes e rosca sem-fim possuem o mesmo princípio de trabalho da direção mecânica com setor e rosca sem-fim. O volante fica acoplado a uma das extremidades da árvore de direção e na outra está o sem-fim dentro de um bloco de metal (cremalheira de esferas) com furo rosqueado. Fica acoplado no bloco de metal e engrenado ao sem-fim dentes de engrenagem que se movem com a rotação do mesmo, fazendo com que o braço de pitman se movimente e acione os braços de direção ligados a manga de eixo das rodas. O sem-fim e a porca (bloco de metal) utilizam uma série de esferas circulantes no sistema para conseguir a redução de folga e de atrito entre o sem-fim e a porca, a qual se move ao longo do corpo do eixo de rosca sem-fim, como exemplificado na Figura 9.
Figura 9 – Sem-fim com esferas recirculantes. Fonte: TARCILA (2010)
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A rosca sem-fim não faz contato direto com a rosca da porca, devido ao
alojamento de esferas
em todos os filetes,
exemplificado
na
Figura 10.
Figura 10 – Visão em corte do Sem-fim com esferas recirculantes. Fonte: TARCILA (2010)
2.2.1.3 SISTEMA DE DIREÇÃO PINHÃO & CREMALHEIRA O mecanismo consiste no engrenamento de um pinhão à uma cremalheira, as Figura 11, 12, 13 e 14 ilustram o dispositivo. O pinhão está fixado na árvore de direção e quando o volante é girado causa o movimento de todo o conjunto. A cremalheira da caixa de direção tem movimentos horizontais e em suas extremidades estão localizados barras laterais biarticulas que estão conectadas as mangas de eixo, ocorrendo assim o esterçamento das rodas. O sistema consegue proporcionar a redução por engrenagens, o que faz com que o esforço para a realização de manobras tenha menor gasto de energia do condutor. Alguns sistemas não tão comuns, podem contar com um conjunto pinhão e cremalheira com dentes de passo(número de dentes por centímetro) diferente no centro e na extremidade. Esse sistema faz com que o carro tenha uma resposta mais rápida no inicio das curvas e um menor esforço no volante quando necessário atingir o limite de esterçamento das rodas.
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Figura 11 – Sistema Pinhão e cremalheira com corte transversal Fonte: GILLESPIE (1992)
Figura 12 – Sistema Pinhão e cremalheira Fonte: GILLESPIE (1992)
26
Figura 13 – Sistemas Pinhão e cremalheira Fonte: GILLESPIE (1992)
Figura 14 – Vista explodida do Sistema pinhão e cremalheira Fonte: GILLESPIE (1992)
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Tabela 1 – Componentes Sistema pinhão e cremalheira da Figura 14
Fonte: GILLESPIE (1992)
2.2.2 SISTEMA DE DIREÇÃO COM ASSISTÊNCIA Em alguns carros observa-se que o esforço necessário para girar o volante é muito menor do que em outros. Geralmente esses veículos são equipados com sistemas de direções que contam com algum tipo de assistência que reduz o esforço necessário do condutor para efetuar as manobras. Os tipos mais comuns desses sistemas de direção com assistência são descritos logo a seguir.
2.2.2.1 SISTEMA PINHÃO E CREMALHEIRA COM ASSISTÊNCIA Esse sistema é muito utilizado devido ao seu simples método de funcionamento. Ele consiste basicamente em um conjunto mecânico que faz a redução do torque necessário para girar o volante, sendo muito utilizado em veículos de pequeno e médio porte.
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2.2.2.2
SISTEMA
DE
DIREÇÃO
HIDRAULICAMENTE
ASSISTIDO
CONVENCIONAL Basicamente o funcionamento desse sistema é muito semelhante ao convencional embora esse possua a necessidade de um torque menor para efetuar-se o esterçamento das rodas. O mecanismo possui um tubo de pressão ao qual fica sujeito à variação do curso do óleo, este que está pressurizado por uma bomba conectada ao motor. A caixa de direção possui uma cremalheira acoplada a um pinhão que está alocado numa árvore de direção e quando o condutor efetua o giro do volante ele aciona uma válvula que orienta o curso do óleo em dois diferentes possíveis compartimentos que estão divididos no tubo de pressão. O mecanismo é ilustrado nas Figuras 15 e 16, quando se quer efetuar o esterçamento das rodas para o lado direito a pressão do óleo é aumentada do lado direito do tubo de pressão e quando se quer efetuar o esterçamento das rodas para o lado esquerdo aumenta-se a pressão do óleo do lado esquerdo do tubo de pressão.
Figura 15 – Sistema Pinhão cremalheira assistência hidráulica Fonte: GILLESPIE (1992)
29
Figura 16 – Visão explodida do Sistema Pinhão e cremalheira com assistência hidráulica Fonte: GILLESPIE (1992)
Tabela 2 – Componentes Sistema pinhão e cremalheira referentes a figura 16
Fonte: GILLESPIE (1992)
30
2.2.2.3 SISTEMA DE DIREÇÃO COM ASSISTÊNCIA ELETRO-HIDRÁULICA
O sistema de direção pinhão cremalheira com assitência eletro-hidráulica (EHPS – Direção
com Assistência Eletro-Hidráulica) surgiu em meados da decáda de 1990
sendo considerado o segundo estágio do sitema de direção pinhão e cremalheira com assitência. Este sistema é muito semelhante ao com assistência hidráulica, pois os dois possuem a maioria das peças em comum, sendo que o sistema EHPS consiste de uma bomba hidráulica convencional movimentada por um motor elétrico de corrente contínua controlado eletronicamente, substituindo a necessidade do uso de um conjunto de polia e correia acoplado ao motor de combustão para movimentar a bomba hidráulica para a pressurização do óleo. O motor elétrico é acionado assim que é dada a p artida no veículo, um sinal é enviado da ECU(unidade eletrônica de controle) para efetuar a ignição. Como o sistema é independente das rotações do motor de combustão ele pode trabalhar em diferentes modos distintos selecionados automaticamente pela ECU. O sistema consegue alternar as rotações do motor fazendo com que quando o veículo esteja em linha reta ele abaixe a rotação e quando o condutor aplicar algum torque no volante rapidamente a ECU detecta um sinal e aciona o motor fazendo com que sua rotação aumente novamente, ganhando assim ainda mais em economia de energia. Se por algum motivo houver pane elétrica no veículo o condutor não irá perder o controle da direção o que ocorrerá é que a mesma irá progressivamente endurecer, mas possibilitando a manobra do veículo até um ponto seguro.
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Figura 17 – Sistema Pinhão cremalheira assistência Eletro-hidráulica Fonte: TARCILA (2010)
Tabela 3 – Componentes Sistema Pinhão cremalheira assistência Eletro-hidráulica referentes à Figura 17 Itens
COMPONENTES
1
Velocímetro eletrônico do sistema
2
Unidade Eletrônica de Controle
3
Transdutor eletro-hidráulico
4
Mecanismo de direção eletro-assistido
5
Bomba da direção
6
Reservatório
7
Mangueira expansível anti-vibração
8
Coluna de direção ajustável manualmente Fonte: TARCILA (2010)
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Figura 18 – Sistema Pinhão cremalheira assistência Eletro-hidráulica Fonte: GILLESPIE (1992)
Tabela 4 – Sistema Pinhão cremalheira assistência Eletro-hidráulica
Fonte: GILLESPIE (1992)
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2.2.2.4 SISTEMA DE DIREÇÃO ELÉTRICO – EPS O terceiro estágio dos Sistemas pinhão e cremalheira são os com assistência elétrica, embora um pouco mais recente sua aplicação vem aumentando demasiadamente nos últimos anos. Muito semelhante aos sistemas anteriores possui a maioria das peças em comum com os sistemas de assistência eletro-hidráulico e hidráulica. Mas, possuindo a diferença de que o EPS(Electric Power Steering) não utiliza bomba hidráulica em seu mecanismo. Também é considerado o mais ecologicamente correto por não ser necessário o uso de óleos lubrificantes e de ser o que mais apresenta a melhor eficiência para flexibilidade em adaptações de projetos e também m a i o r e c o n o m i a d e
combustível, graças à redução das
p e r d a s d e p o t ên ci a d o m o t o r . O EPS é classificado em três famílias diferentes: coluna de direção elétrica ou Column Drive,
a família da cremalheira elétrica ou Rack Drive e a família do pinhão
elétrico ou Pinion Drive . O sistema da família da Coluna de direção elétrica possui um motor elétrico acoplado a um sem-fim engrenado a uma coroa solidária ao eixo da árvore de direção. Um sensor elétrico é posto solidariamente com a coluna de direção para detectar o torque e a direção exercidos pelo condutor no volante, e assim enviar um sinal a ECU para acionar o motor elétrico que aplica a potência necessária para o esterçamento das rodas para tornar o volante mais leve ou mais rígido dependendo das condições de dirigibilidade. Esse sistema é considerado do tipo progressivo, onde a atuação varia de acordo coma a velocidade do veículo. Em manobras de estacionamento, por exemplo, o motor elétrico atua mais intensamente, já quando o automóvel trafega em velocidade mais elevada o motor fornece menor assistência. .
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Figura 19 – Sistema pinhão cremalheira assistência com Elétrica (Família coluna de direção elétrica) Fonte: TARCILA (2010)
Figura 20 – Sistema pinhão cremalheira assistência com Elétrica Fonte: GILLESPIE (1992)
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A Figura 21 demonstra o conjunto mecânico utilizado no sistema EPS do grupo de coluna de direção elétrica, demonstrando o engrenamento da coroa que é solidária ao eixo da coluna de direção e o sem-fim.
Fonte: GILLESPIE (1992)
Figura 21 – Visão com corte transversal do Sistema pinhão cremalheira assistência com Elétrica (Família coluna de direção elétrica)
Os sistemas dos mecanismos das outras famílias são semelhantes ao da família da coluna de direção elétrica, pois também consistem em assistência por um motor elétrico. Logo, a diferença é que na família da cremalheira elétrica (Figura 22) a assistência é efetuada por um sistema de esferas recirculantes na cremalheira do mecanismo de direção, e na família do pinhão elétrico (Figura 23) o torque de assistência é gerado por um motor elétrico acoplado ao pinhão.
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Figura 22 – Sistema pinhão cremalheira assistência com Elétrica (Família da cremalheira elétrica) Fonte: GILLESPIE (1992)
Figura 23 – Sistema pinhão cremalheira assistência com Elétrica (Família do pinhão elétrico) Fonte: GILLESPIE (1992)
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2.2.3 SISTEMA INTEGRAL DE DIREÇÃO HIDRÁULICA Desenvolvido para facilitar a dirigibilidade em veículos de grande porte por ser necessário um esforço maior para girar o volante em manobras de baixa e média velocidade o sistema integrado de direção hidráulica também é utilizado em veículos de luxo onde o que mais se importa é o conforto do condutor. Um sistema com óleo sobre pressão exerce a maior parte do esforço necessário para esterçar as rodas. A pressão do óleo é aplicada pelo sistema, justamente no instante em que o motorista gira o volante. No sistema integral de direção hidráulica o volante é acoplado na extremidade superior da arvore de direção enquanto que na outra extremidade é incorporado uma válvula e um sem-fim que se acoplam ao pistão da cremalheira por meio de um engrenamento de esferas recirculantes, (Figura 24).
Figura 24. Vista translúcida do setor de direção hidráulica
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O pistão cremalheira é engrenado no eixo sem-fim do setor e quando é aplicado o torque ao volante uma pequena parcela inicial do esforço é puramente mecânica e esta é posteriormente amplificada pelo sistema de reduções do engrenamento de esferas recirculantes e o denteado do pistão cremalheira e eixo setor. O restante do esforço necessário fica por conta da pressão gerada pelo óleo quando a válvula libera o mesmo nas câmaras. O eixo setor possui um braço Pitman, vide Figura 25, que se liga a uma das mangas de eixo através de uma barra de direção. O movimento é transmitido para a outra roda através de uma segunda barra denominada barra de ligação.
Figura 25 - Vista em corte de dois mecanismos
O sistema é montado de maneira tal que, mesmo em casos de acidente e perda de óleo, a direção passará a funcionar manualmente como os sistemas comuns de direção mecânica. Todos os sistemas hidráulicos, em caso de acidente, se transformam em sistemas convencionais e o veículo pode continuar a trafegar até que se possa pará-lo para o conserto.
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Figura 26 - Desenho 3D de um mecanismo sem o braço pitman
Figura 27 – Sistema de direção em caminhões
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3 – ANÁLISE E APLICAÇÕES 3.1 ANÁLISE E APLICAÇÕES DOS SISTEMAS DE DIREÇÃO Para o melhor entendimento e compreensão das analises das aplicações dos sistemas que serão expostas a seguir vale a penar relembrar que as mesmas foram feitas com o pensamento de uma possível aplicação para um veículo das competições da SAE na modalidade BAJA off-road.
3.1.1 APLICAÇÃO DA DIREÇÃO COM SISTEMA DE ROSCA SEM-FIM Este sistema de direção possui um mecanismo de rosca sem fim acoplado na extremidade oposta do volante na árvore de direção atuando como um redutor para auxiliar nos esforços necessários para o esterçamento das rodas. Mas por se tratar de um sistema totalmente mecânico, quando comparado aos demais sistemas de direção existentes ele acarreta em um e sforço maior por part e do c o ndu t or . As Fi g ur as 28 e 29 most ram al guns ve ícul os qu e utilizam este sistema.
Figura 28 - Fusca 1936
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Figura 29 - Kombi 1966
Vantagens .Não rouba potência do motor; .Não causa grandes vazamentos no sistema; .Fácil manutenção;
Desvantagens .Necessita de um grande esforço do condutor para o giro do volante; .Peças de reposição de difícil acesso; .Fabricação complexa; .Pesado; .Grande porte;
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3.1.2 APLICAÇÃO DA DIREÇÃO DE ESFERAS RECIRCULANTES E ROSCA SEM-FIM Este tipo de sistema de direção é muito utilizado em caminhões e utilitários esportivos atualmente, pois possui em seu mecanismo um sistema de esferas recirculantes que tem a função de reduzir o atrito entre as peças e diminuir a folga do sistema. É considerado a evolução do sistema de rosca sem-fim. As Figuras 30 e 31 mostram alguns veículos que utilizam esse tipo de mecanismo.
Figura 30 – Maverick - 1976
Figura 31 – Ford mustang-1965 43
Vantagens .Não rouba potência do motor; .Menos esforço necessário para giro do volante que o sistema de rosca sem-fim convencional; .Fácil manutenção; .Não causa grandes vazamentos no sistema;
Desvantagens .Ainda sim necessita de um esforço maior do condutor para o giro do volante; .Peças de reposição de difícil acesso; .Fabricação complexa; .Pesado; .Grande porte;
3.1.3 APLICAÇÃO DO SISTEMA PINHÃO E CREMALHEIRA Esse sistema possui na extremidade da árvore de direção um pinhão engrenado a uma cremalheira, sendo com que a rotação do volante resulta no m es mo m ov im en t o de rot aç ão d o pinhão que é transformado em movimento de translação da cremalheira que está conectada a barras de direção, e as mesmas as mangas das rodas que giram para a mudança de direção do veículo. As Figuras 32 e 33 mostram alguns veículos que utilizam esse tipo de mecanismo.
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Figura 32 – Ford Ka 2008
Figura 33 – Fiat Pálio 2007 Vantagens .Não rouba potência do motor; .Menos esforço necessário para giro do volante se comparado aos outros sistemas de direção mecânica; .Fácil manutenção;
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.Não causa grandes vazamentos no sistema; .Fabricação simples; .Fácil acesso para aquisição de peças de reposição; .Leve; .Pequeno;
Desvantagens .Ainda sim necessita de um esforço maior do condutor para o giro do volante;
3.1.4 APLICAÇÃO DO SISTEMA PINHÃO E CREMALHEIRA ASSISTIDO HIDRAULICAMENTE Este tipo sistema de direção é assistido de tal forma que conta com a assistência de um fluído que está sobre pressão para auxiliar no deslocamento dos componentes de direção ligados às rodas. O sistema é composto por: mecanismo de direção, bomba hidráulica, reservatório de óleo e tubulações de alta e baixa pressão onde circula o fluído. As Figuras 34 e 35 mostram alguns veículos que utilizam esse tipo de mecanismo.
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Figura 34 – Chevrolet Vectra – 1998
Figura 35 – Chevrolet Monza – 1994 Vantagens .Menos esforço necessário para giro do volante; .Fácil acesso para aquisição de peças de reposição;
Desvantagens .Custo elevado; .Rouba potência do motor; .Pesado; .Difícil manutenção; .Fabricação complexa; .Grande porte; .Causar grandes vazamentos no sistema;
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3.1.5 APLICAÇÃO DO SISTEMA PINHÃO E CREMALHEIRA COM ASSISTÊNCIA ELETRO-HIDRÁULICA Este sistema opera basicamente do mesmo modo de trabalho do sistema de direção pinhão e cremalheira com assistência hidráulica, sendo que o que diferencia os dois é o fato do acionamento da bomba hidráulica no mecanismo com assistência eletro-hidráulica ser realizado por meio de um motor elétrico, controlado eletronicamente. As Figuras 36 e 37 mostram alguns veículos que utilizam esse tipo de mecanismo.
Figura 36 – Fiat Stilo 2009
Figura 37 – Chevrolet Astra 1999 48
Vantagens .Menos esforço necessário para giro do volante; .Fácil acesso para aquisição de peças de reposição; .Não rouba potência do motor;
Desvantagens .Necessidade de cosumo elevado de energia elétrica (necessidade de um sistema de alimentação); .Custo elevado; .Pesado; .Difícil manutenção; .Fabricação complexa; .Grande porte; .Pode causar grandes vazamentos no sistema;
3.1.6 APLICAÇÃO DO SISTEMA DE DIREÇÃO COM ASSISTÊNCIA ELÉTRICA Este sistema não faz o uso de bombas ou mangueiras, pois não utiliza qualquer tipo de fluido para exercer pressão para assistir a direção. Logo não é necessário à utilização da bomba hidráulica, o que acarreta a melhoria do desempenho e proporciona economia de combustível.
Sendo
assim
considerado
o
mais
ecologicamente
correto. As Figuras 38 e 39 mostram alguns veículos que utilizam esse tipo de mecanismo. 49
Figura 38 – Mercedes classe B 2012
Figura 39 – Honda Fit 2013 Vantagens .Menos esforço necessário para giro do volante; .Fácil acesso para aquisição de peças de reposição; .Não rouba potência do motor; .Não causa grandes vazamentos no sistema;
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Desvantagens .Necessidade de cosumo elevado de energia elétrica; .Custo elevado; .Pesado; .Difícil manutenção; .Fabricação complexa; .Grande porte;
3.1.7 APLICAÇÃO DO SISTEMA INTEGRAL DE DIREÇÃO HIDRÁULICA Este sistema é capaz de reduzir em até cerca de 70% a 80% do esforço que o condutor faz por causa da resistência das rodas ao esterçamento, esteja o carro parado ou em movimento. Ele é, portanto, variável, dependendo do esforço que as rodas transmitem ao v olante. Com este sistema, o motorista “sente”, uma pequena parcela do esforço exercido sobre as rodas dianteiras. Isso permite avaliar facilmente os esforços que possam colocar o veículo e o próprio condutor em perigo. As Figuras 40 e 41 mostram alguns veículos que utilizam esse tipo de mecanismo.
Figura 40 – Caminhão Mercedes L1620 – 2011
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Figura 41 – Caminhão Mercedes 1519 – 1978
Vantagens .Menos esforço necessário para giro do volante; .Fácil acesso para aquisição de peças de reposição;
Desvantagens .Custo elevado; .Rouba potência do motor; .Pesado; .Pode causar grandes vazamentos no sistema; .Difícil manutenção; .Fabricação complexa; .Grande porte;
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4 - DISCUSSÃO Neste trabalho foram realizados os estudos e analises técnicas sobre os mais variados e utilizados tipos de sistemas de direções veiculares existentes, com o objetivo de pré determinar qual séria a melhor opção para uma possível aplicação em um veículo das competições da SAE na modalidade Baja off-road. Através do estudo feito, pôde-se chegar à conclusão de que o sistema de direção veicular é um fator que deve ser considerado em diversos projetos de diferentes áreas das engenharias que envolvam automobilística. Pois o mesmo é o mais, ou senão um dos mais importantes quesitos a serem avaliados no desenvolvimento e construção do projeto de um veículo, já que é um dos principais responsáveis diretos pelo o comportamento dinâmico do mesmo. Foram utilizados conceitos de forma que se pudesse analisar e comparar os vários tipos de sistemas de direção uns aos outros na tentativa de encontrar-se o sistema que mais se adeque as características do veículo, sendo elas:
Fabricação: A grande preferência é optar por um sistema em que se possa desenvolver e conseguir efetuar a execução, pois isso proporcionará aos alunos a oportunidade de aprender e acompanhar todo o processo de realização de um projeto de engenharia.
Tamanho: O tamanho do sistema torna-se relevante uma vez que o Baja é um veículo monoposto com pouco espaço para a anexação de componentes, sendo o melhor sistema aquele que consiga adaptar-se melhor as dimensões do veículo.
Peso: O peso do sistema de direção influência diretamente no comportamento dinâmico do veículo, pois o Baja trata-se de veículo de competição onde a velocidade e resistência são os fatores que fazem a diferença.
Montagem: A complexidade na montagem do sistema será de vital importância, pois a manutenção e construção do veículo devem ser feitas apenas pelos alunos, e como a grande maioria nunca trabalhou em oficinas mecânicas fica evidente que não será fácil à execução da parte pratica da montagem do sistema, logo é necessário optar-se por um mecanismo que seja menos complexo para a sua construção.
Manutenção: Os sistemas de direção são compostos por mecanismos de materiais que estão sujeitos a desgaste e fadiga, assim possuem um determinado ciclo de vida útil.
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Com o tempo é necessário a pratica da manutenção como reposição (considerando a dificuldade para encontrar os componentes) e retifica das peças.
Vazamentos: Alguns sistemas de direção utilizam óleo sobre alta pressão para auxiliar no esterçamento das rodas. Estes sistemas estão sujeitos a vazamentos do óleo em suas juntas e conexões, o que pode acarretar no mau funcionamento do mecanismo além de poluir o meio ambiente.
Economia: Para efetuar-se a pressurização do óleo alguns sistemas fazem o uso de uma bomba hidráulica que trabalha pela rotação do motor através de polias e correias. Este tipo de mecanismo rouba um pouco da potência do motor o que acaba sendo refletido no aumento do consumo de combustível.
Conforto: Uma grande preocupação e muito importante no desenvolvimento do projeto de um veículo é a situação de conforto em que o condutor é exposto, afinal ele vai ficar por horas dentro do mesmo. Logo quanto menos esforço for necessário para girar o volante melhor, desde que o condutor seja capaz de sentir as reações do comportamento do veículo para conduzi-lo com segurança. Todos os mecanismos de direção estudados neste trabalho foram analisados de forma que se realizaram comparações entre si onde cada um recebeu um conceito nas características citadas acima. Sendo que o conceito máximo foi de valor igual a 5 para aquele que melhor desempenha a característica analisada, e o de conceito mínimo foi igual a 1 para o que obteve o menor desempenho. As Tabelas 5A e 5B a seguir demonstram os resultados das analises e comparações.
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Tabela 5A – Analise e comparações dos sistemas de direção
Itens
Setor e rosca sem-fim
Setor e roca semfim com esferas recirculantes
Sistema integral hidráulico
Fabricação
4
4
3
Tamanho
3
3
1
Peso
4
4
1
Montagem
4
4
2
Manutenção
4
4
3
Vazamentos
4
3
2
Economia
5
5
2
Conforto
2
2
5
Total
30
29
19
Fonte: FERNANDES, M. O.
Tabela 5B – Analise e comparações dos sistemas de direção P&C com assist. Hidraulica
P&C com assist.
P&C com
Eletro-
assist.
hidráulica
Elétrica
Itens
P&C
Fabricação
5
3
2
2
Tamanho
5
3
2
2
Peso
5
2
3
3
Montagem
5
3
2
2
Manutenção
5
3
3
3
Vazamentos
4
2
2
4
Economia
5
2
2
5
Conforto
3
5
5
5
Total
37
23
21
26
55
5 – CONCLUSÃO Com os dados e a revisão apresentada, foi possível determinar ao final deste trabalho que o sistema de direção pinhão e cremalheira é a melhor opção para a aplicação em um veículo das competições da SAE na modalidade Baja off-road. Pois ele apresentou o sistema que obteve o melhor conceito nos quesitos avaliados, sendo um mecanismo de possível fabricação, montagem e manutenção pelos próprios alunos devido a seu baixo nível de complexidade de funcionamento. Além de adaptar-se perfeitamente as dimensões do veículo devido ao seu pequeno tamanho, outras características que também influenciaram na escolha foi as de que não é necessário o uso de um sistema hidráulico ou de alimentação elétrica o que eventualmente implicará diretamente na redução de peso, vazamento de fluidos e economia de combustível. Deste modo sendo perfeitamente adequado como a melhor opção para a aplicação no projeto de um veículo das competições da SAE na modalidade Baja off-road.
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