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DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA DE FREIO PARA UM VEÍCULO OFF-ROAD DO TIPO BAJA Clediliano André Miranda ([email protected] ) Eduardo Junges ([email protected] ) Gustavo Adolfo Velazquez Castillo ([email protected] ) Universidade Estadual do Oeste do Paraná INTRODUÇÃO O Baja SAE é uma competição entre instituições de nível superior em engenharia que tem por objetivo trazer à prática os conhecimentos adquiridos em sala de aula a fim de projetar e construir um veículo off-road que seja ao mesmo tempo eficiente, barato e atrativo ao público consumidor. A equipe Baja Cataratas representa a Unioeste desde 2010 na competição a nível regional e nacional. Dentre todos os subsistemas do veículo, um dos mais importantes é o sistema de freio devido a sua função de garantir a segurança do piloto. Os freios são mecanismos que propiciam a transformação da energia cinética em energia térmica, através do atrito induzido, a fim de proporcionar a desaceleração do veículo. Os sistemas mais comuns na atualidade são os freios a disco e a tambor. OBJETIVOS • Realizar o dimensionamento do sistema de freios de um veículo Baja SAE de forma leve, barata e que atenda o regulamente da competição; • Quantificar os parâmetros característicos do veículo; • Determinar a distribuição ideal de frenagem em função das condições da pista; • Dimensionar o pedal de acionamento dos freios. DESENVOLVIMENTO Neste projeto, foi optado por utilizar freios a disco devido a sua maior linearidade da relação torque de frenagem por força aplicada, se comparado com os freios a tambor (NORTON, 2004). Para o dimensionamento do sistema de freios, foi realizado o equilíbrio de forças dinâmicas do diagrama de corpo livre do veículo, como representado na Figura 1. Fig. 1 – Diagrama de corpo livre do veículo quando sujeito a desaceleração. Assim, são determinadas as equações de transferência de peso durante a frenagem, sendo a Equação 1 para o eixo dianteiro e a Equação 2 para o eixo traseiro: = + ( − ℎ) (1) = + ( − ℎ) (2) A partir de um modelo 3D do protótipo em software CAD, extraiu-se as dimensões essenciais do veículo para o dimensionamento do seu sistema de freios. Os dados estão disponíveis na Tabela 1, onde h é a altura do Centro de Massa (CM), a éa distancia do eixo dianteiro até o CM, b é a distância do eixo traseiro ao CM, J FF e J RF são os momentos polares de inércia dos componentes rotativos nos eixos dianteiro e traseiro, respectivamente, W é o peso do veículo com o piloto e R é o raio do pneu. Dados característicos do veículo Com as Equações 3 e 4, determinaram-se os torques de frenagem para o eixo dianteiro e traseiro, respectivamente, onde, a primeira componente de cada equação representa a parcela originada devido a força de atrito e a segunda devido a inércia rotacional dos componentes girantes. A partir disso, plotou-se a proporção ideal de torque em cada eixo e o resultado pode ser observado na Figura 2. = + (3) = + (4) Segundo Gillespie (1992), é indesejável o travamento apenas do eixo traseiro, devido ao surgimento de um comportamento instável, gerando a perda de controle do veículo. Por isso, selecionou-se discos e cálipers de freio que garantissem o travamento do eixo dianteiro antes do traseiro. Para o dimensionamento do pedal, é imprescindível que todo o sistema hidráulico tenha sido selecionado, devido à necessidade do conhecimento dos diâmetros dos êmbolos do cilindro mestre e dos cálipers. Com isso, é determinada a força que deve ser aplicada no cilindro mestre para ocorrer o travamento das rodas, como pode ser visto na Figura 3. Como essa força para o terreno encontrado na competição é elevada, determina- se uma relação de comprimentos do pedal adequada, a fim de maximizar a força aplicada pelo piloto. RESULTADOS E DISCUSSÕES Com os componentes selecionados, chegou-se a uma distribuição de frenagem de 67% no eixo dianteiro e 33% no eixo traseiro, o que garante um grande campo de estabilidade direcional durante a frenagem, incluindo o solo que é encontrado na competição ( ≤ 0,75). Os discos foram cortados em aço 1045 com espessura de 4 mm. O material para confecção do pedal foi o alumínio 6063-T6 que, devido à sua alta resistência, possibilitou utilizar uma chapa de 3 mm de espessura.. . Fig. 4 – Arranjo front-to-rear. CONCLUSÕES • A distribuição de frenagem garante um grande campo de estabilidade; • Com as dimensões selecionadas para pedal dos freios, alcançou-se uma redução de cerca de 80% do esforço necessário; • O desempenho do sistema de freios cumpriu os requisitos que as normas da competição Baja SAE impõem aos participantes; • A utilização de componentes prontamente encontrados no mercado e com um custo inferior ao de produção em pequena escala facilita a manutenção. REFERÊNCIAS GILLESPIE, T. D. Fundamentals of Vehicle Dynamics. Warrendale: Society of Automotive Engineers, 1992. NORTON, R. L. Projeto de Máquinas: Uma abordagem integrada. 2. ed. Porto Alegre: Bookman, 2004. 0 20 40 60 80 100 0 0,25 0,5 0,75 1 Torque (%) Coeficiente de atrito Dianteiro Traseiro Parâmetro Valor h (m) 0,55 a (m) 0,80 b (m) 0,56 J FF (Kg.m²) 0,378 J RF (Kg.m²) 1,411 W (Kg) 240 R (m) 0,26 0 500 1000 1500 2000 2500 0 0,25 0,5 0,75 1 Força (N) Coeficiente de atrito Fig. 2 – Torque ideal por eixo. Fig. 3 – Força de frenagem. Parâmetro Valor Diâmetro Cáliper (mm) 30 Diâmetro Cilindro Mestre (mm) 23 Relação alavanca do pedal 5,1:1 Força de acionamento pedal (N) 400 Diâmetro disco dianteiro (mm) 170 Diâmetro disco traseiro (mm) 170 Tabela 2 – Informações técnicas gerais do sistema de freio.
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DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA DE FREIO PARA UM VECULO OFF-ROAD DO TIPO BAJA
Clediliano Andr Miranda ([email protected])
Eduardo Junges ([email protected])
Gustavo Adolfo Velazquez Castillo ([email protected])
Universidade Estadual do Oeste do Paran
INTRODUO
O Baja SAE uma competio entre instituies de nvel superior em engenharia
que tem por objetivo trazer prtica os conhecimentos adquiridos em sala de aula a
fim de projetar e construir um veculo off-road que seja ao mesmo tempo eficiente,
barato e atrativo ao pblico consumidor. A equipe Baja Cataratas representa a
Unioeste desde 2010 na competio a nvel regional e nacional.
Dentre todos os subsistemas do veculo, um dos mais importantes o sistema de
freio devido a sua funo de garantir a segurana do piloto. Os freios so
mecanismos que propiciam a transformao da energia cintica em energia trmica,
atravs do atrito induzido, a fim de proporcionar a desacelerao do veculo. Os
sistemas mais comuns na atualidade so os freios a disco e a tambor.
OBJETIVOS
Realizar o dimensionamento do sistema de freios de um veculo Baja SAE de formaleve, barata e que atenda o regulamente da competio;
Quantificar os parmetros caractersticos do veculo; Determinar a distribuio ideal de frenagem em funo das condies da pista; Dimensionar o pedal de acionamento dos freios.
DESENVOLVIMENTO
Neste projeto, foi optado por utilizar freios a disco devido a sua maior linearidade
da relao torque de frenagem por fora aplicada, se comparado com os freios a
tambor (NORTON, 2004).
Para o dimensionamento do sistema de freios, foi realizado o equilbrio de foras
dinmicas do diagrama de corpo livre do veculo, como representado na Figura 1.
Fig. 1 Diagrama de corpo livre do veculo quando sujeito a desacelerao.
Assim, so determinadas as equaes de transferncia de peso durante a
frenagem, sendo a Equao 1 para o eixo dianteiro e a Equao 2 para o eixo
traseiro:
=
+( ) (1)
=
+( ) (2)
A partir de um modelo 3D do prottipo em software CAD, extraiu-se as dimenses
essenciais do veculo para o dimensionamento do seu sistema de freios. Os dados
esto disponveis na Tabela 1, onde h a altura do Centro de Massa (CM), a a
distancia do eixo dianteiro at o CM, b a distncia do eixo traseiro ao CM, JFF e JRFso os momentos polares de inrcia dos componentes rotativos nos eixos dianteiro e
traseiro, respectivamente, W o peso do veculo com o piloto e R o raio do pneu.
Tabela 1 Dados caractersticos do veculo
Com as Equaes 3 e 4, determinaram-se os torques de frenagem para o eixo
dianteiro e traseiro, respectivamente, onde, a primeira componente de cada equao
representa a parcela originada devido a fora de atrito e a segunda devido a inrcia
rotacional dos componentes girantes. A partir disso, plotou-se a proporo ideal de
torque em cada eixo e o resultado pode ser observado na Figura 2.
= +
(3)
= +
(4)
Segundo Gillespie (1992), indesejvel o travamento apenas do eixo traseiro,
devido ao surgimento de um comportamento instvel, gerando a perda de controle do
veculo. Por isso, selecionou-se discos e clipers de freio que garantissem o
travamento do eixo dianteiro antes do traseiro.
Para o dimensionamento do pedal, imprescindvel que todo o sistema hidrulico
tenha sido selecionado, devido necessidade do conhecimento dos dimetros dos
mbolos do cilindro mestre e dos clipers. Com isso, determinada a fora que deve
ser aplicada no cilindro mestre para ocorrer o travamento das rodas, como pode ser
visto na Figura 3.
Como essa fora para o terreno encontrado na competio elevada, determina-
se uma relao de comprimentos do pedal adequada, a fim de maximizar a fora
aplicada pelo piloto.
RESULTADOS E DISCUSSES
Com os componentes selecionados, chegou-se a uma distribuio de frenagem de
67% no eixo dianteiro e 33% no eixo traseiro, o que garante um grande campo de
estabilidade direcional durante a frenagem, incluindo o solo que encontrado na
competio ( 0,75).Os discos foram cortados em ao 1045 com espessura de 4 mm. O material para
confeco do pedal foi o alumnio 6063-T6 que, devido sua alta resistncia,
possibilitou utilizar uma chapa de 3 mm de espessura..
.
Fig. 4 Arranjo front-to-rear.
CONCLUSES
A distribuio de frenagem garante um grande campo de estabilidade; Com as dimenses selecionadas para pedal dos freios, alcanou-se uma reduo
de cerca de 80% do esforo necessrio;
O desempenho do sistema de freios cumpriu os requisitos que as normas dacompetio Baja SAE impem aos participantes;
A utilizao de componentes prontamente encontrados no mercado e com umcusto inferior ao de produo em pequena escala facilita a manuteno.
REFERNCIAS
GILLESPIE, T. D. Fundamentals of Vehicle Dynamics. Warrendale: Society of
Automotive Engineers, 1992.
NORTON, R. L. Projeto de Mquinas: Uma abordagem integrada. 2. ed. Porto
Alegre: Bookman, 2004.
0
20
40
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0 0,25 0,5 0,75 1
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%)
Coeficiente de atrito
Dianteiro
Traseiro
Parmetro Valor
h (m) 0,55
a (m) 0,80
b (m) 0,56
JFF (Kg.m) 0,378
JRF (Kg.m) 1,411
W (Kg) 240
R (m) 0,26
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500
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1500
2000
2500
0 0,25 0,5 0,75 1
Fo
ra (
N)
Coeficiente de atrito
Fig. 2 Torque ideal por eixo. Fig. 3 Fora de frenagem.
Parmetro Valor
Dimetro Cliper (mm) 30
Dimetro Cilindro Mestre (mm) 23
Relao alavanca do pedal 5,1:1
Fora de acionamento pedal (N) 400
Dimetro disco dianteiro (mm) 170
Dimetro disco traseiro (mm) 170
Tabela 2 Informaes tcnicas gerais do sistema de freio.
