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Introdução à Engenharia da Motocicleta
Fábio Magnani e Ramiro Willmersdorf
Depto de Engenharia Mecânica da UFPE
2010
Programa• Movimento em
linha reta;• Movimento em
curva;• Equilíbrio de
forças:– Aceleração e
frenagem;
• Efeitos da transmissão de potência;
• Dirigibilidade;• Pneus;• Vibração;• Quadro e
Aerodinâmica;• Suspensão;• Freios;
Bibliografia
• Motorcycle Design and Technology – Gaetano Cocco;
• Motorcycle Dynamics – Vittore Cossalter;
• Dinâmica;• Elementos de Máquinas;
Principais diferenças motos X carros
• Na motocicleta, o peso, posição e comportamento do condutor são fundamentais para o comportamento dinâmico do veículo;
Movimento em linha reta
• Efeitos importantes para o equilíbrio:– Inerciais;– Giroscópicos;– Endireitamento devido ao trail;
Efeitos Giroscópicos
• Não é a coisa mais intuitiva do mundo, para a maioria das pessoas;
• Nada mais é, no entanto, que uma expressão da inércia (de corpos em rotação);
• Pequena revisão justifica-se;
Partícula emtrajetória circular
• Em equilíbrio?v=R
R
R
Como a velocidademuda de direção, a partícula não estáem equilíbrio.
Partícula emtrajetória circular
R
F
A força externa necessária para manter a partícula em movimento circular uniforme é então:
Rotação doPlano de Rotação
• Para que o plano gire, a partícula precisa ter aceleração transversal ao plano de rotação!
• Analogamente ao caso anterior:
Rotação doPlano de Rotação
• A força perpendicular ao plano, para causar a rotação de uma partícula, é então:
• As forças nas duas partículas são, claramente, auto-equilibradas!
• O momento (conjugado) necessário para efetuar a rotação é:
Na condução em linha reta
• Três efeitos importante devido ao efeito giroscópico:– Momento de direção (steering
moment);– Momento de rolagem (roll moment);– Momento de guinada (yaw moment);
Efeito Combinado• É extremamente complexo, pois um
momento pode gerar rotação, que gera outro momento, que pode gerar rotação, …
• Os efeitos giroscópicos contribuem pronunciadamente para a estabilidade da moto;
• Os efeitos giroscópicos, obviamente, aumentam com a velocidade;
Fontes de Efeito Giroscópico• Obviamente, as rodas são a maior
fonte;• Motor é importante também:
– Volante;– Girabrequim;
• Mesmo com a massa menor, podem operar a velocidades angulares muito altas;
• Efeito perceptível com a moto parada!
Efeitos de endireitamento
• Dependem da geometria da motocicleta!
• A combinação destes fatores contribui fortemente para as características de dirigibilidade da moto;
• Fatores geométricos:– Ângulo do caster;– Trail;– Offset;– Distância entre eixos;
Atrito na Roda Dianteira
Velocidade absoluta
A velocidaderelativa entre o pontode contato e o piso é zero!
Efeito de endireitamento
• Claramente, o valor do momento é proporcional a:– Trail normal;– Valor da força de atrito:
• Coeficiente de atrito;• Força normal na roda dianteira;
• Momento = trail x efeito dinâmico
Trail
• Se o trail é positivo, o momento atua contra perturbações, o comportamento da moto é estável;
• A situação oposta gera instabilidade e necessidade do motociclista atuar para manter a moto em linha reta;
Trail
• Todas as motos tem trail positivo (em condições normais);
• Valores típicos: entre 40 e 110 mm;• Situações especiais podem causar trail
negativo;• Variações rápidas de trail (e do
momento) podem causar instabilidade dinâmica;
Efeito do Ângulo de Caster
• Da fórmula, e da figura, quanto maior o ângulo, maior é o trail e mais estável é a moto;
• Custom: 28 a 40°• Moto GP: ~21°
Raio da Roda Dianteira
• Óbvio: aumentar o raio aumenta o trail, e vice-versa;
• Mesmo pequenas variações (mudança de pneus) podem fazer alterações significativas;
• Alteração do raio das rodas, portanto, não necessariamente boa idéia;
Fator Dinâmico
• Primordialmente influenciado pelas forças que agem entre a roda e o piso, resultantes de:– Peso da moto e piloto;– Velocidade;– Coeficiente de atrito;
Peso
• Depende do peso total e de sua distribuição;
• Quanto maior o peso, maior a força de atrito resultante e maior o momento de endireitamento;
• Mais estabilidade (além do efeito de inércia);
Distribuição de Peso
A distribuição de peso é um dos fatores mais importantes paraa estabilidade, e é relativamente controlável pelopiloto.
Distribuição de Peso
• Peso concentrado na dianteira:– Mais difícil de girar o guidão, mais
estável;
• Em altas velocidades, no entanto, arraste diminui a carga na roda dianteira:– Diminui o momento de endireitamento,
diminui a estabilidade;
• A distribuição adequada, portanto, depende do uso pretendido para a motocicleta;
Distribuição de Peso
• Motos normais: ~ 50/50;• Com o piloto: ~ 60/40;• Peso do piloto entre 1 e 1/3 do peso da
moto! Efeito muito importante;• Posição do piloto pode aumentar ou
diminuir a carga nas rodas de uns 5 a 7 kg.
• (A situação é imensamente mais complicada nas curvas;)
Velocidade
• Atrito de Coulomb teórico independe da velocidade;
• Na prática, depende da velocidade de deslizamento;
• Quando começa o desvio da trajetória reta, começa uma trajetória curva, e começa a ação da inércia, transversal ao movimento;
• Esta força é equilibrada pelo atrito, e produz momento de endireitamento;
Coeficiente de Atrito
• Óbvio, quanto maior, maior o momento de endireitamento;
• O reverso é obviamente verdade também, e facilmente perceptível;
• É praticamente impossível controlar uma motocicleta em um piso de atrito muito baixo;
Conclusões Principais
• Para estabilidade em linha reta, quanto mais rápido, melhor...
• Sempre um compromisso entre estabilidade e agilidade;
• Muitos efeitos que interagem: geométricos, dinâmicos, aerodinâmico, atitude do piloto, etc;
• Na prática, muito ajuste experimental e manual, e muito ajuste do piloto.