Dimensionamento e Analise e de Sistema de direção pinhão e cremalheira para veículo baja. Neste documento é apresentado os conceitos básicos de um sistema de direção ! Também é apresentado um modelo dimensionado para veiculo do tibo BAJA SAE (competição de engenharia)

Tipologia: Teses (TCC)

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UNIVERSIDADE COMUNITÁRIA DA REGIÃO DE CHAPECÓ

(UNOCHAPECÓ)

Curso de Graduação em Engenharia Mecânica

Felipe Dal Magro Rover

DIMENSIONAMENTO E ANÁLISE DE UM SISTEMA DE DIREÇÃO DO TIPO PINHÃO

E CREMALHEIRA PARA VEÍCULO BAJA

Chapecó – SC, Novembro de 2015

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UNIVERSIDADE COMUNITÁRIA DA REGIÃO DE CHAPECÓ

(UNOCHAPECÓ)

Curso de Graduação em Engenharia Mecânica

Felipe Dal Magro Rover

DIMENSIONAMENTO E ANÁLISE DE UM SISTEMA DE DIREÇÃO DO TIPO PINHÃO

E CREMALHEIRA PARA VEÍCULO BAJA

Chapecó – SC, Novembro de 2015

FELIPE DAL MAGRO ROVER

DIMENSIONAMENTO E ANÁLISE DE UM SISTEMA DE DIREÇÃO DO TIPO PINHÃO

E CREMALHEIRA PARA VEÍCULO BAJA

Projeto de Trabalho de Conclusão de Curso apresentado na Universidade da região de Chapecó - UNOCHAPECÓ de Engenharia Mecânica como requisito básico para a conclusão do Curso de Engenharia Mecânica.

Orientador (a): ANDRÉ LUIZ GRANDO SANTOS

Chapecó – SC, Novembro de 2015

iii

Agradecimentos

Agradeço a todos aqueles que estiveram ao meu lado sempre me apoiando, principalmente minha mãe e meu pai, pois sem eles nunca teria conseguido. Agradeço ao meu orientador pelo empenho e dedicação ao me ajudar a realizar este trabalho. Agradeço também aos companheiros da equipe Bajaccó, da qual tive o imenso prazer e orgulho de fazer parte.

Eu tentei 99 vezes e falhei, mas na centésima tentativa eu consegui; nunca desista de seus objetivos mesmo que esses pareçam impossíveis, a próxima tentativa pode ser a vitoriosa. (Albert Einstein)

ABSTRACT

The Baja SAE competition has several dynamic tests that hinder the execution of turns and maneuvers, so must be known angle of the steering geometry for the vehicle meets the driving parameters, the search for these geometries is much studied by teams of Baja , and these parameters take years until they are adjusted so that the vehicle actually present a good performance during the tests of the competition. In the course of this work are explained the influences of geometry angles and proposed a pinion steering system and rack prototype that meets the needs of the Baja developed in Unochapecó university. Some structural analyzes were performed to verify that the steering group would support the loads imposed during operation.

Keywords: steering geometry; Baja; Steering system Type rack and pinion;

vii

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

BED Bitola do eixo dianteiro mm BET Bitola do eixo Traseiro mm b Distância entre o meio da roda até o lado externo mm 𝛽𝑖 Giro da roda dianteira externa e interna (i = 1, 2 respectivamente) Graus 𝛽 1 Giro da roda dianteira externa Graus 𝛽 2 Giro da roda dianteira interna Graus DPM Distância do pino mestre mm Dpi Diâmetro do pinhão mm DMBA Distância do pino mestre até ponto de fixação do braço axial mm 𝜌𝑔 Raio geométrico da curva mm 𝜌Ι Raio geométrico da roda externa dianteira mm 𝜌ΙΙ Raio geométrico da roda externa traseira mm J Distância, medida no solo, dos pinos mestres mm 𝑙 Distância entre eixos mm

 Distância do centro da roda até o ponto de intersecção do ângulo de caster mm M Centro de rotação do veículo ME Manga de eixo SAE Society of Automotive Engineers SPC Sistema de pinhão e cremalheira 𝑡Ι Distância entre o centro das rodas mm e Distância entre o Pino mestre até o ponto de intersecção do solo mm

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Parâmetros definitivos ............................................................................................. 43 Tabela 2 - Configurações de giro do volante ............................................................................ 44 Tabela 3 - Análise das configurações ....................................................................................... 53

Figura 1- Volante LISTA DE FIGURAS
Figura 2- Coluna de direção
Figura 3- Pinhão e cremalheira helicoidal
Figura 4- Vista explodida de um mecanismo manual
Figura 5- Componentes do sistema de direção pinhão e cremalheira
Figura 6- Cubo de roda com ponta de eixo
Figura 7- Manga de eixo..........................................................................................................
Figura 8- Manga de eixo utilizada no protótipo
Figura 9-Pivôs de suspensão.....................................................................................................
Figura 10 - Terminais rotulares
Figura 11- Bitola dianteira e traseira
Figura 12- Entre eixos
Figura 13- Angulo de Caster (vista lateral do veículo)
Figura 14- Cambagem negativa
Figura 15- Cambagem Positiva
Figura 16- Convergência e Divergência (frente do veículo visto de cima)
Figura 17- Diagrama tensão-deformação.
Figura 18- Geometria ideal da direção.
Figura 19- Ângulos de esterçamento de um sistema de direção...............................................
Figura 20- Posição Ideal de Assento nos Veículos...................................................................
Figura 21- Ângulos da posição do piloto
Figura 22- Vista explodida do sistema de direção
Figura 23- Sistema de direção (vista frontal)
Figura 24- Planilha do Excel utilizada para calcular o raio de giro
Figura 25- Manga de eixo (distância)
Figura 26- Sistema de análise de esterçamento desenvolvido em SolidWorks (ponto neutro)
Figura 27-Deslocamento da cremalheira de 10mm
Figura 28- Dimensões do Pinhão para 90º
Figura 29- Deslocamento da cremalheira 90º
Figura 30-Raio de giro para 90º
Figura 31- Dimensões do pinhão 110º ix
Figura 32- Deslocamento da cremalheira 110º
Figura 33-Raio de giro para 110º graus
Figura 34- Dimensões do pinhão 130º
Figura 35- Deslocamento da cremalheira para 130º
Figura 36-Raio teórico de giro para 130º
Figura 37- Distribuição da carga do veículo em diferentes situações
Figura 38- Área do diâmetro primitivo.
Figura 39- Análise estrutural do pinhão
Figura 40- Fixação e aplicação de torque (braço primário)......................................................
Figura 41- Análise estrutural do braço primário
Figura 42- Fixação e aplicação de torque (braço secundário)
Figura 43- Análise do braço secundário
Figura 44- Tração no articulador axial
Figura 45- Análise estrutural do articulador axial (tração).......................................................
Figura 46- Compressão no articulador axial.
Figura 47- Análise estrutural do articulador axial (compressão)
1. INTRODUÇÃO RESUMO v
1. OBJETIVOS
2.1 Geral
2.2 Específicos
1. JUSTIFICATIVA
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
4.1 Sistema de direção
4.2 Pinhão e cremalheira
4.3 Sistema de direção pinhão & cremalheira
4.4 Manga de eixo e cubo de roda
4.5 Bitola
4.6 Distância entre eixos
4.7 Ângulo de Pino Mestre “kingpin”
4.8 Ângulo de Caster
4.9 Ângulo câmber
4.10 Convergência e divergência (TOE- IN e TOE-OUT)
4.11 Resistência dos materiais
4.11.1 Materiais dúcteis e frágeis
4.11.2 Critério de Tresca e critério de Von Mises
4.11.3 Tensão admissível e coeficiente de segurança
4.12 Simulação estrutural
4.13 Geometria da direção
4.14 Esterçamento e raio de retorno
4.15 Ergonomia
1. METODOLOGIA DA PESQUISA xii
5.1 Dimensionamento do Sistema de Direção
5.1.1 Determinação do Raio de Giro
5.1.2 Descrição do modelo proposto em SolidWorks
5.2 Análise estrutural dos componentes...........................................................................
5.2.1 Análise do pinhão
5.2.2 Análise da árvore de direção
5.2.3 Análise do articulador axial
5.2.4 Seleção da junta universal
1. DISCUSSÃO E VALIDAÇÃO DOS RESULTADOS OBTIDOS
1. CONCLUSÕES
1. REFERÊNCIAS
9 ANEXOS

1. INTRODUÇÃO

O projeto Baja SAE ( Society of Automotive Engineers) é uma competição entre instituições de ensino superior que desafia acadêmicos de engenharia através do desenvolvimento de um protótipo off Road (fora de estrada) , a partir do trabalho em grupo, bem como na execução de todas as atividades que envolvem o projeto, visando a aplicação prática dos conhecimentos adquiridos em sala de aula. As competições da SAE visam proporcionar aos acadêmicos 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. O sistema de direção veicular é o componente capaz de transformar a ação mecânica do motorista na necessidade direcional que o veículo precisa executar. Esta realidade pode ser atingida de diferentes formas no que tange ao nível de esforço, ângulo do volante, sensibilidade da pista pelo condutor e comportamentos distintos que são influenciados pela velocidade do veículo. Com a evolução dos meios de transporte os sistemas de direção passaram a evoluir também juntamente com os componentes ligados a eles. Um sistema de direção bastante utilizado é o sistema de pinhão e cremalheira pois se caracteriza por ser simples, eficiente e apresentar baixo custo. Busca-se a compreensão da funcionalidade do sistema de direção bem como o estudo detalhado sobre o esterçamento das rodas em função do giro do volante, este apresenta influência direta na dirigibilidade do veículo, então será abordado o dimensionamento de um sistema de direção de pinhão e cremalheira para um veículo baja. O intuito deste trabalho é desenvolver um sistema de direção do tipo pinhão e cremalheira, que será analisado em condições estáticas pela aplicação de teorias e formulações matemáticas associadas ao projeto de sistemas de direção veicular.

3. JUSTIFICATIVA

O desenvolvimento de um sistema de direção influencia muito a dirigibilidade do veículo Baja, para que o mesmo possa realizar as manobras com facilidade e precisão, além de garantir a segurança, e assim evitar acidentes. Logo, este trabalho torna-se relevante, pois servirá de subsídio para futuros acadêmicos que almejam participar de tais projetos e também pela importância que exalta diante da competição, uma vez que esse interfere diretamente no comportamento, na segurança e no custo final de um veículo. Os estudos sobre sistemas de direção irão fornecer embasamento teórico para que seja possível o desenvolvimento de uma caixa de direção para aplicação no protótipo Baja 2016.

4. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Para o completo entendimento da rotina desenvolvida neste trabalho, será apresentada uma breve revisão teórica abordando os principais termos e parâmetros relacionados com o sistema de direção. A geometria da suspensão em conjunto com a direção determina o posicionamento da roda. Este posicionamento será fundamental nas respostas do veículo nas situações em que ele se encontrar. Esse estudo é complexo, porque existem muitas variáveis, entre elas o próprio piloto e o terreno no qual o veículo irá trafegar. O tipo de comportamento dinâmico desejável para o veículo é dependente da interação entre todas essas variáveis. Conforme Gillespie (1992), 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 haja o controle do veículo. Contudo, os ângulos de esterçamento efetivos são modificados pela geometria do sistema de suspensão, direção e condições de tracionamento para os veículos de tração dianteira.

4.1 Sistema de direção

A maioria dos sistemas de direção são compostos por alguns elementos em comum. Os elementos mais conhecidos são o volante, coluna e caixa de direção, sendo que o volante é o componente do sistema que interage diretamente com o motorista (FERNANDES, 2005). Ele geralmente possui forma circular ou semelhante, como representado na figura (01).

Figura 1- Volante

Fonte: Fernandes, (2005).

Normalmente consiste num aro circular, cujo movimento de rotação (esterço) é convertido em movimentos das rodas. Podem ser recobertos com diversos tipos de tecidos, painel integrado e botões para outras funções. Pode ser encontrado em forma de retângulo arredondado (em modelos mais antigos) e também em formato quadrado, no qual é geralmente usado para carros de competição. 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. A coluna de direção figura (02) 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 (Junta universal), 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 (FERNANDES, 2005).

devem conhecer as cargas e solicitações que o sistema de transmissão estará submetido a fim de se optar pelo melhor dimensionamento do elemento (SHIGLEY, 1984). Pinhão e cremalheira são usados para converter rotação em movimento linear ou vice-versa. Um exemplo perfeito disso é o sistema de direção de muitos carros. O volante gira uma engrenagem que se une à cremalheira. Conforme a engrenagem gira, ela desliza a cremalheira para a direita ou para a esquerda, dependendo do lado para o qual está virando o volante. (ABREU et al, 2008). Há dois tipos de cremalheira: cremalheira de dentes perpendiculares e cremalheira de dentes inclinados. As cremalheiras de dentes inclinados acoplam-se a rodas helicoidais e as de dentes perpendiculares engrenam-se com as rodas de dentes retos (FERNANDES, 2005).

Figura 3- Pinhão e cremalheira helicoidal

Fonte: Fernandes, (2005).

A figura (03) demonstra o pinhão/cremalheira de dentes inclinados “helicoidal”, esse tipo de engrenagem tem uma melhor distribuição das cargas durante o funcionamento, evitando ruídos, pois o encaixe acontece de forma mais “suave”. A engrenagem cilíndrica de dentes helicoidais é apropriada para cargas e velocidades elevadas (LOPES; GALDINO, 2013).

4.3 Sistema de direção pinhão & cremalheira

O mecanismo de direção normalmente é fixado na carroceria ou na suspensão, podendo estar localizado à frente ou atrás das rodas. Através do engrenamento pinhão e cremalheira, o movimento de rotação do volante que resulta no mesmo movimento de rotação do pinhão é transformado em movimento de translação da cremalheira. Em cada extremidade da cremalheira, existem barras laterais biarticuladas que tem a função de promover a união da cremalheira com as mangas de eixo. Portanto o movimento de translação da cremalheira aciona as mangas de eixo que geram os ângulos de esterçamento das rodas esquerda e direita, onde as mangas de eixo descrevem um arco em torno do eixo de esterçamento da roda ou pino mestre (FERNANDES, 2005). Esta concepção é largamente empregada em veículos de passeio e comerciais leves, e será utilizado no veículo baja. Nas figuras (4) e (5) o sistema pode ser visualizado em detalhes

Figura 4- Vista explodida de um mecanismo manual

Fonte: http://www.oficinabrasil.com.br/hotsites/gm/ (adaptado)

É possível identificar cada um dos componentes do sistema de direção na vista explodida, cada componente possui uma função especifica, a coifa é responsável pela proteção