Sistema de direção 1ENG 03031 Dinâmica de Veículos

SISTEMA DE DIREÇÃO

Sistema de direção 2ENG 03031 Dinâmica de Veículos

Introdução

A função do sistema de direção é

esterçar os pneus dianteiros em resposta

aos comandos do motorista.

Os ângulos de esterçamento são

modificados pela geometria do sistema

de suspensão, a geometria e reações

dentro do sistema de direção, e no caso

de tração dianteira (FWD) pela

geometria e reações do drivetrain.

Sistema de direção 3ENG 03031 Dinâmica de Veículos

Mecanismos de direção

A volante de direção conecta-se através de

eixos, juntas universais e isoladores de

vibração à caixa de direção cujo propósito é

transformar o movimento rotacional da volante

em movimento translacional ao esterçamento.

Sistemas de direção típicos

O esterçamento da roda interna é maior que a

externa, os ângulos corretos de Ackerman são

22

1

22

10 tantan

ttitt R

L

R

L

R

L

R

L

−≅

−=

+≅

+= −− δδ

Esterçamento diferencial da montagem trapezoidal

Sistema de direção 4ENG 03031 Dinâmica de Veículos

Erro na geometria do esterçamento

Nos sistemas de direção as barras de relay

transferem a ação de direção da caixa de

engrenagens no veículo aos braços de

esterçamento das rodas.

A ação de esterçamento é obtida por translação

da barra relay na presença dos movimentos

arbitrários da suspensão.

Há um potencial de ações de esterçamento a

partir dos movimentos da suspensão, chamado

de erros de geometria de esterçamento.

Geometria de esterçamento ideal para suspensão dianteira independente

Erros podem mudar o toe angle pelas deflexões

da suspensão, um esterçamento sistemático nos

dois pneus, ou uma combinação de ambos.

Mudança do toe

Erro de geometria causando mudanças do toe

Sistema de direção 5ENG 03031 Dinâmica de Veículos

Sistema de direção 6ENG 03031 Dinâmica de Veículos

Análise do “Trailing Arm” equivalente (cont)

Princípios Anti-Squat e Anti-Pitch (cont)

Forças atuando no sistema de suspensão no eixo motriz

2

1

2

2cos

1

θ

+

=z

zF

P

x

Da primeira e última equação, e ainda

considerando ângulos pequenos,

2

1

21

1

2

2211

tan1tan

sinsin

θθ

θθ

++=

+=

z

zF

z

zF

PPF

xx

ZAssim,

d

ze

d

ezz 22

121 tantan

−=

−−= θθ

Da geometria,

Logo, a relação de forças resulta,d

e

F

F

x

z =

A expressão é idêntica aquela obtida se os

braços de controle são substituídos por um

braço único (trailing) pivotado na carroceria na

interseção projetada dos braços.

A interseção é um ponto de reação virtual onde

a reação do torque dos braços da suspensão

podem ser resolvidos em forças longitudinais e

verticais impostas na carroceria do veículo.

Sistema de direção 7ENG 03031 Dinâmica de Veículos

Análise do “Trailing Arm” equivalente (cont)

Princípios Anti-Squat e Anti-Pitch (cont)

Como qualquer suspensão é funcionalmente

equivalente ao braço trailing, o desempenho

anti-squat é avaliado considerando o diagrama

de corpo livre do eixo motriz traseiro.

Ponto A: pivô imaginário na carroceria.

Como o braço é parafusado rigidamente ao

eixo, apresenta a habilidade de transmitir uma

força vertical à massa suspensa projetada para

resistir o squat.

Sistema de direção 8ENG 03031 Dinâmica de Veículos

+−=

+−=

L

h

Kd

e

KL

h

Ka

g

W

L

K

a

L

h

g

W

Ld

e

K

a

g

W

LK

a

L

h

g

W

L

frr

x

f

x

r

x

r

xP

1111

111θ

L

h

L

h

L

h

d

e2=+≈

Eixo motriz único traseiro

Princípios Anti-Squat e Anti-Pitch (cont)

A carga por pneu consiste de um componente

estático mais o dinâmico da transferência de

carga na aceleração.

Com o peso do eixo desprezível, a soma de

momentos em torno de A no equilíbrio fornece:

rrxxr

xrrsxrsA

Kd

eFa

L

h

g

WW

eFdWdWdaL

h

g

WdWM

δ=−=∆

=−∆−−+=∑ 0

Wrs: carga estática no eixo ou na suspensão

∆Wr: carga na suspensão pela aceleração

Kr: constante de mola na suspensão traseira

δr: deflexão da suspensão traseira (+ jounce)

A suspensão dianteira fica sujeita a uma

deflexão para cima (rebound),

ffxf KaL

h

g

WW δ=−=∆

O ângulo de pitch θp do veículo na aceleração é

a soma das deflexões pela distância entre eixos.

f

x

r

x

r

xfr

PK

a

L

h

g

W

Ld

e

K

F

LK

a

L

h

g

W

LL

111+−=

−=

δδθ

Substituindo a força Fx igual a (W/g)ax temos

O ângulo de pitch θp zero resulta para,

f

r

K

K

L

h

L

h

d

e+=

Condição anti-pitch total,

Sistema de direção 9ENG 03031 Dinâmica de Veículos

+

−−=

L

h

Kd

re

KL

h

Ka

g

W

L frr

xP

1111θ

Tração traseira com suspensão independentePrincípios Anti-Squat e Anti-Pitch (cont)

Existe uma reação do torque de tração que atua

no sistema igual a Td=r Fx (r: raio do pneu).

O diferencial é montado na carroceria impondo

um torque motriz através dos eixos meios.

0)( =−−∆−−+=∑ reFdWdWdaL

h

g

WdWM xrrsxrsA

Logo, o ângulo de pitch θp resulta,

f

r

K

K

L

h

L

h

d

re+=

−

Compensação total do squatch,

Anti-squatch de 100% na suspensão traseira

corresponde a (e-r)/d=h/L.

Tração dianteira com eixo único

O ângulo de pitch θp resulta,

r

f

K

K

L

h

L

h

d

e−−=

Condição total de anti-lift,

++=

L

e

KL

h

KL

h

Ka

g

W

L ffr

xP

1111θ

O primeiro termo do lado direito é a condição

anti-lift no eixo dianteiro, ao invés de anti-

squat no eixo traseiro

Sistema de direção 10ENG 03031 Dinâmica de Veículos

Tração dianteira com suspensão independentePrincípios Anti-Squat e Anti-Pitch (cont)

O ângulo de pitch θp resulta,

r

f

K

K

L

h

L

h

d

re−−=

−

Condição total de anti-lift,

−++=

L

re

KL

h

KL

h

Ka

g

W

L ffr

xP

1111θ

Tração independente nas quatro rodas

−++

−−−=

f

f

ffr

r

rr

xPd

re

KL

h

Kd

re

KL

h

Ka

g

W

L

)(1)()1(11 ξξθ

Seja ξ a fração da força de tração total

desenvolvida no eixo dianteiro,

xxrxxf FFFF )1( ξξ −==

A mudança de carga em cada eixo é dada por,

ff

f

f

xxf

rr

r

rxxr

Kd

reFa

L

h

g

WW

Kd

reFa

L

h

g

WW

δξ

δξ

=−

+=∆

=−

−−=∆ )1(

A equação de pitch resulta,

Observa-se na equação que o desempenho anti-

squat e anti-pitch depende de uma combinação

nas propriedades do veículo: geometria da

suspensão, rigidez da suspensão e distribuição

de forças trativas.

Caso um ou ambos os eixos fossem únicos, r=0

no eixo pertinente.

Sistema de direção 11ENG 03031 Dinâmica de Veículos

A transferência de carga longitudinal por

causa da frenagem causa o balanço do veículo

para frente produzindo o brake dive.

Os mesmos princípios usados para o cálculo

da resistência da suspensão ao squat na

aceleração são usados para a geração de forças

anti-dive na frenagem.

As condições anti-dive são obtidas para,

L

h

d

ef

f

f

ξβ −== tan

Geometria da Suspensão Anti-Dive

Suspensão dianteira:

L

h

d

er

r

r

)1(tan

ξβ

−==Suspensão traseira:

ξ: fração da força de frenagem desenvolvida

no eixo dianteiro

Para obter 100% anti-dive dianteiro e 100%

anti-lift traseiro, o pivô para o braço efetivo

deve cair no locus dos pontos definidos nestas

relações.

Se os pivôs são localizados abaixo do locus,

anti-dive<100% é obtido; se acima o eixo

dianteiro se levanta e o traseiro desce na

frenagem.

Condições anti-dive