ads:
MARCELO LUIZ EUGÊNIO
CONTRIBUIÇÃO AO DESENVOLVIMENTO DE UMA BUCHA
ELASTOMÉRICA PARA A BANDEJA INFERIOR DE UM VEÍCULO
COMPACTO
São Paulo
2006
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado a Escola Politécnica
da Universidade de São Paulo para
obtenção do Título de Mestre junto
ao Mestrado Profissional em
Engenharia Automotiva.
ads:
Livros Grátis
http://www.livrosgratis.com.br
Milhares de livros grátis para download.
ii
MARCELO LUIZ EUGÊNIO
CONTRIBUIÇÃO AO DESENVOLVIMENTO DE UMA BUCHA
ELASTOMÉRICA PARA A BANDEJA INFERIOR DE UM VEÍCULO
COMPACTO
São Paulo
2006
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado a Escola Politécnica
da Universidade de São Paulo para
obtenção do Título de Mestre junto
ao Mestrado Profissional em
Engenharia Automotiva.
Área de Concentração:
Engenharia Automotiva.
Orientador:
Prof. Dr. Roberto Spinola Barbosa.
ads:
iii
FICHA CATALOGRÁFICA
Eugênio, Marcelo Luiz
Contribuição ao desenvolvimento de uma bucha
elastomérica para a bandeja inferior de um veículo
compacto.
M.L. Eugênio – São Paulo, 2006
66p.
Trabalho de conclusão de curso (Mestrado profissionalizante
em Engenharia Automotiva).
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo.
1.Barra tensora I.Universidade de São Paulo. Escola
Politécnica II.t.
iv
A Deus, por me presentear com sabedoria, paciência e inteligência
necessários para a conclusão deste trabalho.
A meus pais Dorival e Maria Inês, pelo amor, dedicação e ensinamentos a mim
oferecidos que me fortalecem e possibilitaram a conquista deste título.
À minha esposa Aldeíde, pela compreensão e amor dedicados durante o
tempo investido no desenvolvimento deste trabalho.
A meu filho Guilherme, que é a alegria da minha vida.
v
AGRADECIMENTOS
Ao Professor Dr. Roberto Spinola Barbosa pelo suporte e orientação no
desenvolvimento do trabalho.
Aos colegas Amauri Gentil e José Ambrósio P. Silva pelo auxílio na realização de
testes, análise dos resultados e indicações de pesquisa.
Aos colegas Luiz Ogusco e Christian Lepine da Tenneco Automotive, pela ajuda na
obtenção dos dados e realização de testes.
Aos gerentes Luiz A. Reis, Dúlio Freitas, Rogério O Magalhães e Carlos Cuccioli
pelo incentivo na realização do curso e desenvolvimento do trabalho.
A Deus, pela benção de mais esta conquista.
vi
RESUMO
A bucha da bandeja inferior de veículos de passeio é o componente de ligação entre
a suspensão e a carroceria do veículo. Este componente tem a função de absorver
vibrações impostas por componentes não suspensos como do sistema de direção ou
da própria suspensão, por exemplo, problemas de desbalanceamento de rodas,
pneus, semi-eixos e outros, isolando reduzindo o efeito destas vibrações na
carroceria. Este trabalho visa demonstrar o desenvolvimento de uma bucha
elastomérica para aplicação em um veículo compacto, que utiliza inicialmente uma
bucha hidráulica, com o intuito de solucionar um problema de ruído, dando atenção
especial à característica de absorção de vibração. Através de dados teóricos e
baseando-se em testes laboratoriais e em veículo, pôde-se realizar uma análise
comparativa do comportamento destes dois componentes quando em uso diverso e
submetidos a requisitos de durabilidade, conforto e dirigibilidade. O teste laboratorial
mostrou que a bucha elastomérica teve desempenho similar à bucha hidráulica
quanto ao atendimento da resistência à fadiga. Já nos testes em veículo, pôde-se
comprovar que a bucha elastomérica teve bom desempenho quanto à dirigibilidade,
durabilidade e quanto a grande parte dos requisitos de conforto, estando superior à
bucha hidráulica em alguns itens, porém inferior em outros. Todavia, a bucha
elastomérica bipartida mostrou-se inferior quanto à absorção de vibrações dos
componentes não suspensos, quando os valores de desbalanceamento são
superiores a 10 gramas. Concluí-se, portanto, que, para um desbalanceamento de
até 10 gramas, a bucha elastomérica tem comportamento similar à bucha hidráulica,
quanto ao desempenho na fadiga e durabilidade, solucionando o problema de ruído
e proporcionando substancial redução de custo do componente, podendo ser
utilizada como alternativa ao componente hidráulico.
Palavras Chave: Suspensão veicular. Aceleração angular. Freqüência de vibração.
Bucha elastomérica.
vii
ABSTRACT
The control arm bushing for passenger vehicles is linking element between the
suspension and the body. This component is designed to absorb vibrations from non-
suspended components as steering system or the own suspension like unbalancing
problems of wheels, tires and half-shafts, among others. This paper aims to
demonstrate the development of an elastomeric bushing [divided in two] to be applied
in a compact vehicle that initially works with a hydraulic bushing and has noise
problems. Through theoretical data and based on laboratorial and vehicle tests, it
was performed a pair comparison analysis of both behaviors when applied in many
solicitations of durability, ride and handling tests. The laboratorial tests shown that
the elastomeric bushing has similar performance to the hydraulic one regarding
stiffness and fatigue. When applied on vehicle, it was proved that the elastomeric
bushing has good performance regarding handling, durability and the most part of
ride requirements, being better than hydraulic bushing in some of the items, although
is not so good in other ones. However, the elastomeric bushing shown lower
performance on vibration absorbing [steering wheel shimmy] that came from non
suspended components when the unbalance value is higher than 10 grams. In
conclusion, for an unbalance till 10 grams, the elastomeric bushing has similar
behavior when compared to hydraulic bushing, in fatigue and durability performance,
solving the noise problem and getting substantial cost reduction for the component,
and could be applied as an option to replace the hydraulic bushing.
Keywords: Vehicle suspension. Angular acceleration. Vibration frequency.
Elastomeric bushing.
viii
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1.1 Projeto da suspensão MacPherson do veículo em estudo [lado
esquerdo]...................................................................................................4
Figura 1.2 Bandeja inferior lado esquerdo do veículo em estudo...............................5
Figura 1.3 Bucha hidráulica montada no suporte........................................................5
Figura 1.4 Vista em corte da bucha hidráulica............................................................6
Figura 1.5 Detalhe do orifício de ligação entre os canais e fluido da bucha
hidráulica....................................................................................................7
Figura 1.6 Gráfico de índice de falhas de campo da bucha hidráulica........................8
Figura 1.7 Posição de inserção da bucha hidráulica no suporte.................................9
Figura 1.8 Esquema de montagem da bucha hidráulica no veículo..........................10
Figura 1.9 Esquema de acelerações do conjunto roda/pneu....................................10
Figura 1.10 Vista frontal do movimento da suspensão na passagem por ondulações
transversais....................................................................................11
Figura 1.11 Gráfico da amplitude x tempo do movimento da suspensão..................11
Figura 1.12 Detalhe da bucha na movimentação da suspensão..............................12
Figura 1.13 Detalhe da região suspeita da origem do problema de ruído................13
Figura 2.1 Detalhe dos componentes da suspensão MacPherson...........................15
Figura 2.2 Indicação dos graus de liberdade da bucha dianteira..............................18
Figura 2.3 Representação da suspensão veicular....................................................19
Figura 2.4 Gráfico da transmissibilidade em função do fator de freqüência………...22
Figura 2.5 Gráfico do ângulo de fase em função do fator de freqüência…….……...23
Figura 2.6 Exemplo do tipo de bucha moldada.........................................................25
Figura 2.7 Exemplo de bucha de dois tubos.............................................................26
Figura 2.8 Exemplo de bucha de dois tubos e alma..................................................26
Figura 2.9 Ilustração da função do móduto dinâmico e fator de amortecimento
em relação a ω e θ.................................................................................28
Figura 2.10 Curvas do módulo diâmico (G
ω,θ) e do fator de amortecimento (δGω,θ)
da borracha neoprene em função da freqüência...................................29
Figura 2.11 Curvas do módulo dinâmico (Gω,θ) e do fator de amortecimento (δGω,θ)
da borracha natural em função da freqüência........................................29
Figura 2.12 Curvas do módulo dinâmico (G
ω,θ) e do fator de amortecimento (δGω,θ)
da borracha SBR em função da freqüência...........................................30
ix
Figura 2.13 Curvas do módulo dinâmico (G
ω,θ) e do fator de amortecimento (δGω,θ)
da borracha butírica polivinil plasticizada em função da freqüência…..31
Figura 3.1 Gráfico de rigidez dinâmica da bucha hidráulica.....................................35
Figura 3.2 Gráfico de ângulo de perda da bucha hidráulica.....................................36
Figura 3.3 Bucha convencional em corte..................................................................36
Figura 3.4 Projeto da bucha elastomérica.................................................................38
Figura 3.5 Desenho da bucha elastomérica..............................................................38
Figura 3.6 Posicionamento contraposto das metades da nova bucha......................40
Figura 3.7 Montagem da bandeja inferior da suspensão..........................................40
Figura 3.8 Corte A-A: Montagens das buchas elastoméricas (A) e hidráulica (B) no
suporte………….......................................................................................41
Figura 4.1 Desenho esquemático do equipamento de ensaio de tensão x
deformação.......................................................................................45
Figura 4.2 Equipamento de ensaio tensão x deformação.........................................45
Figura 4.3 Curva tensão x deformação para a carga F1...........................................46
Figura 4.4 Curva tensão x deformação para a carga F2...........................................46
Figura 4.5 Desenho esquemático do equipamento de ensaio dinâmico...................47
Figura 4.6 Posição do componente e aplicação da carga no ensaio
laboratorial...............................................................................................48
Figura 4.7 Gráfico de rigidez dinâmica da bucha convencional................................48
Figura 4.8 Gráfico de ângulo de perda da bucha convencional................................49
Figura 4.9 Gráfico de ângulo de perda comparando as buchas convencional e
hidráulica..................................................................................................49
Figura 4.10 Gráfico de rigidez dinâmica comparando as buchas elastoméricas e
hidráulica................................................................................................50
Figura 4.11 Esquema para ensaios dinâmico e estático...........................................51
Figura 4.12 Equipamento de ensaio de fadiga..........................................................52
Figura 4.13 Monitores do ensaio de fadiga...............................................................52
Figura 4.14 Indicação da posição do acelerômetro no volante.................................57
Figura 4.15 Resultado comparativo do teste de vibração sem desbalanceamento..58
Figura 4.16 Resultado comparativo do teste de vibração com 10 gramas de
desbalanceamento.................................................................................58
Figura 4.17 Resultado comparativo do teste de vibração com 20 gramas de
desbalanceamento.................................................................................59
x
Figura 4.18 Resultado comparativo do teste de vibração com 30 gramas de
desbalanceamento.................................................................................59
xi
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1. Tipos de elastômero e suas características principais……….…………..42
Tabela 4.1 Notas para avaliação subjetiva...............................................................54
Tabela 4.2 Resultado comparativo do teste de conforto..........................................55
Tabela 4.3 Resultado comparativo do teste de dirigibilidade...................................56
xii
LISTA DE SÍMBOLOS
u
Movimento de excitação das rodas (cps)
u
0
Amplitude da senoide do pavimento
ω Freqüência de perturbação (rad/s)
t Tempo (s)
F Força inercial (N)
m Massa suspensa (kg)
y Movimento da carroceria do veículo (m)
F
am
Força de amortecimento (N)
F
mol
Força da mola (N)
c Constante de amortecimento viscoso (Ns/m)
F Força externa atuante na carroceria (N)
k Rigidez do sistema de suspensão (N/m)
ω
n
Freqüência natural (rad/s)
c
c
Amortecimento crítico (Ns/m)
ζ Fator de amortecimento
L Comprimento de onda da pista (m)
x
m
Distância percorrida pelo veículo (m)
V Velocidade de translação (m/s)
r Relação de freqüências
Tr Transmissibilidade
G
ω,θ
Módulo Dinâmico (Dina/cm
2
)
θ Temperatura (ºC)
δ
Gω,θ
Fator de amortecimento
xiii
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO………………………………………………………1
1 MOTIVAÇÃO DO TRABALHO................................................3
1.1 O COMPONENTE PROBLEMÁTICO.....................................................................3
1.2 ANÁLISE DO PROBLEMA.....................................................................................7
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA..................................................14
2.1 A SUSPENSÃO DIANTEIRA DE UM VEÍCULO DE PASSEIO............................14
2.2 DESEMPENHO REQUERIDO PARA A BUCHA DA SUSPENSÃO VEICULAR.16
2.3 FORÇAS ATUANTES NA BUCHA DIANTEIRA DA SUSPENSÃO VEICULAR..17
2.4 BUCHAS ELASTOMÉRICAS PARA A SUSPENSÃO VEICULAR.......................23
2.5 FUNDAMENTOS DA ISOLAÇÃO DE VIBRAÇÃO APLICADO A ELEMENTOS
ELÁSTICOS DA ESTRUTURA DA SUSPENSÃO VEICULAR...........................27
2.6 VIBRAÇÕES DO VOLANTE DE DIREÇÃO........................................................33
3 ESTUDO DE CASO…..………………..………………………………………35
3.1 DESENVOLVIMENTO DA BUCHA ELASTOMÉRICA........................................35
3.1.1 Definição dos parâmetros da bucha elastomérica......................................37
3.1.1.1 Definição do projeto.......................................................................................37
3.1.1.2 Definição das dimensões...............................................................................39
3.1.1.3 Definição do elastômero.................................................................................41
4 ENSAIOS E RESULTADOS..................................................44
4.1 ANÁLISES LABORATORIAIS..............................................................................44
4.1.1 Rigidez dinâmica.............................................................................................48
4.1.2 Ângulo de perda..............................................................................................49
4.1.3 Fadiga torsional..............................................................................................51
xiv
4.2 TESTES NO VEÍCULO.........................................................................................53
4.2.1 Conforto............................................................................................................53
4.2.2 Dirigibilidade....................................................................................................55
4.2.3 Vibração do volante de direção......................................................................57
4.2.4 Durabilidade no veículo..................................................................................60
5 CONCLUSÃO……..…………………………………………….61
6 RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS.........63
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS…….………………………64
1
INTRODUÇÃO
Nos últimos anos, o mundo todo tem se modificado e atualizado: novas tecnologias
são descobertas e implementadas, novos tipos de alimentos, computadores cada
vez mais potentes e em tamanho reduzido, entre muitas outras coisas. Em conjunto
com esta atualização foi também sendo aprimorado o conceito de qualidade dos
produtos sob o ponto de vista do cliente. Na década de 80 os usuários não tinham
uma consciência muito desenvolvida quanto às exigências da qualidade dos
produtos que utilizavam. Quando um produto apresentava um defeito, poucos
clientes buscavam os seus direitos junto aos fabricantes ou mesmo junto a órgãos
competentes na área.
Já nos anos 90, foi-se adquirindo o hábito de buscar os seus direitos, exigindo dos
fabricantes uma ação rápida e eficaz na solução do problema apresentado,
chegando até mesmo na substituição do aparelho com defeito.
Este tipo de exigência não foi focado em um segmento específico. Ela teve início
com a linha de aparelhos eletrônicos e eletrodomésticos, expandindo-se para a área
de veículos, prestação de serviço, alimentos etc. Com isso, os clientes foram
aprendendo a desenvolver este sentido de qualidade mínima necessária do produto
para o seu uso.
Especificamente na área de veículos de passeio, pode-se dizer que a exigência da
qualidade do produto foi intensificada a partir de 1996 quando já se conhecia o
veículo 1.000 cilindradas (1.0L) a pelo menos 3 anos. Este tipo de veículo introduziu
no mercado um segmento chamado “econômico”, com preço menor devido a
reduções de custo no produto, como motores menores, acabamento inferior ou
impostos reduzidos. Contudo, a revisão do imposto cobrado sobre estes veículos
com significativo aumento, mostrou uma situação onde se tinha veículos com grande
diferença de qualidade por preços muito próximos [comparando-se motorizações 1.0
L a 1.4 L e acima]. Com isso, alguns itens inferiores que eram até então “tolerados”
nos veículos 1.0 L, passaram a ter o mesmo nível de exigência de um veículo 1.6 L.
Este trabalho abordará o desenvolvimento de um componente da suspensão de um
veículo produzido por uma montadora instalada no Brasil, desenvolvimento este
2
devido a uma crescente reclamação de clientes quanto à degradação da qualidade
deste componente. Conforme já mencionado, a exigência dos clientes é cada vez
maior e o mesmo está sensível a pequenas variações da qualidade do produto.
Logo, deve-se ter atenção não somente na solução definitiva do problema apontado
pelo cliente, mas ter-se especial atenção em não introduzir um outro problema no
veículo/sistema em análise.
3
1 MOTIVAÇÃO DO TRABALHO
O aumento da exigência dos clientes quanto à qualidade do veículo e seus
componentes resulta em índices de reclamação cada vez maiores para as
montadoras. Ligado a este aumento de reclamações está também o aumento do
custo de garantia, custo este que envolve a mão-de-obra dos concessionários bem
como a troca/melhoria dos componentes problemáticos. Em adição a estes, está o
maior problema para as montadoras: a insatisfação do cliente, que pode resultar em
perda de vendas de veículos.
Frente a este problema, a montadora identificou um componente com um dos
maiores índices de reclamação de campo: a bucha hidráulica da suspensão
dianteira. Este componente é utilizado em um veículo compacto da General Motors
do Brasil com substancial volume de vendas, e por conseqüência, um grande
impacto em custo de garantia para a montadora.
Este trabalho visa desenvolver e validar uma bucha elastomérica da bandeja inferior
de um veículo compacto com o objetivo de realizar uma análise comparativa com
uma bucha hidráulica da mesma aplicação, reduzindo custo do produto e
solucionando um problema de ruído.
1.1 O COMPONENTE PROBLEMÁTICO
Para conhecimento do componente problemático, será feita uma breve explanação
da suspensão dianteira, que será mostrada mais em profundidade posteriormente.
O veículo sob estudo utiliza uma suspensão dianteira do tipo “MacPherson”,
composta basicamente por amortecedor, mola, manga de eixo e bandeja inferior,
conforme mostra a Figura 1.1.
4
Figura 1.1: Projeto da suspensão MacPherson do veículo em estudo [lado
esquerdo]
A ligação da bandeja inferior com a carroceria do veículo é feita através das buchas
dianteira e traseira. Inicialmente estas buchas eram basicamente elastoméricas e,
com o desenvolvimento da tecnologia embutida neste componente, foi desenvolvida
uma bucha que possui um fluido interno que proporciona um melhor desempenho do
que aquelas buchas até então conhecidas na aplicação. As buchas com fluido
interno receberam o nome de buchas hidráulicas.
No veículo em análise a bucha traseira da bandeja inferior é elastomérica e a bucha
dianteira é hidráulica conforme mostra a Figura 1.2.
5
Figura 1.2: Bandeja inferior lado esquerdo do veículo em estudo
Conforme já mencionado, a bucha dianteira do veículo em estudo é hidráulica e é
mostrada em detalhe na Figura 1.3. A partir daqui a bucha dianteira será tratada
apenas como bucha hidráulica.
Figura 1.3 – Bucha hidráulica montada em seu suporte.
Frente do
Veículo
6
A bucha hidráulica possui uma característica importante como componente da
suspensão que é a absorção de parte das vibrações oriundas dos componentes não
suspensos, vibrações estas, na grande maioria das vezes, provenientes do
desbalanceamento do conjunto roda/pneu. A bucha hidráulica do veículo em
questão possui bom desempenho quanto a este quesito, isolando o sistema de
direção de vibrações quando o desbalanceamento é de até 15 gramas.
A tecnologia embutida neste componente é muito alta, onde os seus fabricantes
utilizam-se das mais recentes técnicas de projeto e produção. A sua construção
varia de acordo com o projeto, e com ele variam também os componentes internos.
A bucha em análise é uma peça constituída de componentes em aço, borracha,
polímero e fluido, conforme mostra a Figura 1.4.
Figura 1.4 – Vista em corte da bucha hidráulica
O melhor comportamento da bucha hidráulica em relação à bucha elastomérica é
atribuído ao fluido interno que trabalha movimentando-se entre os dois canais
internos da bucha [canais de fluido] quando são aplicados esforços no anel interno,
gerando um movimento relativo entre este e a carcaça metálica. Os canais são
ligados por um pequeno orifício na região de interface do inserto plástico e da
borracha. A Figura 1.5 mostra este orifício com maior detalhe.
7
Figura 1.5 – Detalhe do orifício de ligação entre os
canais de fluido da bucha hidráulica
Esta interligação funciona como uma válvula que controla o aumento e diminuição
do volume de fluido entre os dois canais, semelhante ao que acontece com um
amortecedor, contribuindo desta forma para uma melhor eficiência do componente.
1.2 ANÁLISE DO PROBLEMA
O custo da manutenção de veículos em garantia é um problema para a montadora,
pois representa não somente o investimento em peças e mão-de-obra que deve ser
feito, mais principalmente a insatisfação gerada nos clientes. Frente a isso, as
montadoras mantêm equipes de engenheiros destinados unicamente à análise e
solução de problemas relacionados a veículos em uso pelo cliente final. Estes
engenheiros são responsáveis por levantamentos e priorização dos maiores índices
de falhas por veículo para a tomada de ação corretiva. Para esta priorização
comumente é utilizado o gráfico de Pareto.
Monitorando-se o retorno de campo da bucha hidráulica, verificou-se que em um
período específico houve um aumento significativo do índice de reclamações de
campo e troca deste componente, conforme pode ser observado na Figura 1.6.
8
Figura 1.6 – Gráfico de índice de falhas de campo da bucha hidráulica
As reclamações eram de ruído do tipo “rangido” ao trafegar sobre ondulações
transversais [lombadas], nas quais a excitação da suspensão denotava uma baixa
freqüência e alta amplitude de oscilação. A Figura 1.6 mostra o índice de falhas
prematuras [até 2 meses de uso do veículo] e também o índice de falhas no
acumulado de 6 meses de uso. Verifica-se na curva do acumulado de 6 meses a
tendência de aumento das falhas, necessitando de uma ação corretiva imediata,
visto que o valor de abril é considerado pela montadora um índice de falha
extremamente elevado.
Algumas das peças falhadas foram enviadas à Engenharia de Produto da
montadora, onde foram realizados vários testes em laboratório visando reproduzir a
falha, sem sucesso:
- Remoção do fluido interno
: A peça falhada foi colocada na bancada e o
fluido interno foi removido com o auxílio de uma seringa. O ruído não foi
reproduzido;
- Movimento manual do suporte
: A bucha montada em seu suporte [conforme
mostra a Figura 1.3] foi fixada pelo anel interno. Foi aplicada uma força
oscilante na lateral do suporte fazendo com que este tivesse um movimento
6,7
7,2
7,3
4,2
6,7
7,2
6,6
7,2
3,6
5,9
10,6
1,4
1,6
0,6 0,6
0,8
1,3
2,0
3,8
1,0 1,0
3,9
3,5
2,8
1,5
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul
Meses
Incidência por mil veículos
6 Meses de exposição
2 meses de exposição
9
longitudinal e rotacional em relação ao anel interno nos eixos x, y e z.
Nenhum ruído foi ouvido;
- Desmontagem da bucha
: Algumas peças problemáticas foram desmontadas
para análise e procura da causa raiz do problema. Todavia, nenhum dos
componentes internos da bucha apresentava desgaste que pudesse justificar
ser esta a causa do ruído.
Somente foi possível reproduzir a falha quando o componente foi montado no
veículo. Isto se deve à impossibilidade de reproduzir-se na bancada a mesma
condição de carga e montagem do componente.
Para uma análise mais detalhada na busca da causa raiz do problema, uma
verificação do comportamento dinâmico da bucha era necessária. Para esta análise
será feita uma abordagem superficial da suspensão e da bandeja inferior [onde
localiza-se a bucha hidráulica], porém uma abordagem mais detalhada do sistema
de suspensão do veículo será feita posteriormente. Esta análise foi feita com a
bucha montada no suporte de fixação no veículo, conforme mostra a Figura 1.3,
visando encontrar um movimento relativo entre algum de seus componentes que
justificasse o surgimento do ruído. A seguir é apresentada a seqüência de análise
realizada:
a- A Figura 1.7 mostra que a bucha é cravada no suporte com uma carga
mínima de 10 KN. Esta carga garante que não há movimento relativo entre
a bucha e o suporte;
Figura 1.7 – Posição de inserção da bucha hidráulica no suporte
10
b- O suporte é fixado positivamente na travessa dianteira do veículo por meio
de 3 parafusos;
c- O núcleo da bucha é fixado à barra tensora através de uma porca com
torque de 120 Nm também para evitar movimento relativo entre a barra e a
bucha;
d- A barra tensora é fixada à ponta de eixo através da junta esférica e este ao
conjunto roda/pneu [ver Figura 1.8].
Figura 1.8: Esquema de montagem da bucha hidráulica no veículo
Quando o veículo é conduzido por uma via qualquer, ele é movimentado com uma
aceleração horizontal. Ao trafegar sobre uma ondulação transversal a suspensão
passa da posição de repouso vertical para uma condição de compressão e em
seguida expansão do conjunto amortecedor/mola com uma aceleração vertical que é
função da aceleração horizontal do veículo.
Figura 1.9: Esquema de acelerações do conjunto roda/pneu.
11
Isso causa um movimento relativo entre a suspensão e a carroceria do veículo,
movimento este caracterizado por uma baixa freqüência e alta amplitude [quando o
veículo está em uso não abusivo], onde a bandeja inferior faz um movimento angular
de deslocamento “
α” proporcional à compressão do conjunto amortecedor/mola e
um segundo movimento angular de deslocamento “β” na extensão do mesmo
conjunto, como pode ser visto na Figura 1.10.
Figura 1.10: Vista frontal do movimento da suspensão na passagem por ondulações transversais
Este movimento é modificado pelo coeficiente de amortecimento do amortecedor,
que irá reduzir a amplitude do movimento da suspensão [redução gradativa dos
ângulos
α e β] até que esta volte à condição de repouso, conforme mostra a Figura
1.11.
Figura 1.11: Gráfico Amplitude x Tempo do movimento da suspensão
12
O efeito desta movimentação da suspensão é a movimentação da barra tensora da
bandeja inferior que, conforme já mencionado, está firmemente fixada ao centro da
bucha. Logo, os mesmos ângulos de movimento da suspensão serão encontrados
no centro da bucha, como pode ser visto na Figura 1.12.
O efeito do movimento da suspensão na bucha hidráulica é um movimento do anel
interno da mesma que será girada com um ângulo “
α” na compressão e de um
ângulo “β” na extensão da suspensão em relação à carcaça metálica.
Figura 1.12: Detalhe da bucha na movimentação da suspensão
No interior da bucha, conforme mostrado na Figura 1.4, temos que:
a- A borracha está vulcanizada no anel interno e também no inserto
metálico, portanto estes três componentes se movimentarão em
conjunto;
b- O inserto plástico tem interface com a borracha através de
interferência na superfície de contato, como mostrado na Figura
1.13, e é fixado na carcaça metálica através de um adesivo.
c- Como a bucha está cravada no suporte e este, por sua vez, está
fixado à carroceria, haverá um movimento relativo entre a borracha e
o inserto plástico, sendo esta a causa raiz do ruído.
13
Figura 1.13 – Detalhe da região suspeita da origem do problema de ruído
Com base neste estudo, o fornecedor da bucha hidráulica foi contatado, para que
tomasse providências para correção da falha. Todavia, este fornecedor, de origem
Européia, não reconheceu o problema porque o mesmo componente era fornecido
para toda a Europa [para aplicação no mesmo veículo também fabricado naquele
continente] a pelo menos dois anos, sem se ter ocorrência de reclamações de ruído.
Um outro agravante para o fornecedor não responder ao pedido de melhoria, era
que o volume de consumo de peças no mercado brasileiro era muito pequeno
quando comparado ao volume comprado na Europa.
Baseando-se na resposta negativa do fornecedor, no custo elevado da bucha
hidráulica e nas dificuldades logísticas para recebimento do mesmo [componente
vindo da Europa para o Brasil], decidiu-se pelo desenvolvimento de uma nova bucha
para a aplicação.
14
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 A SUSPENSÃO DIANTEIRA DE UM VEÍCULO DE PASSEIO
Para uma análise completa da bucha é importante ser conhecida a condição de
trabalho da mesma e a sua aplicação na suspensão do veículo em estudo.
Todos os veículos possuem um sistema de absorção de oscilações verticais, as
denominadas suspensões. Desde os primeiros veículos projetados, os seus
idealizadores estavam preocupados em não somente proporcionar transporte para
os seus usuários, mas também um bom nível de conforto.
O Engenheiro John C. Dixon [3] posiciona o conforto de um veículo como sendo
conseqüência da altura, movimento longitudinal e lateral do veículo sobre vibração
forçada pela aspereza da pista onde se trafega. O propósito de uma suspensão
neste contexto é minimizar o desconforto dos passageiros, o qual obviamente,
envolve uma minimização de algumas medidas do movimento do corpo pela escolha
das molas, amortecedores e buchas da suspensão. O valor ótimo para estes
componentes será, com certeza, dependente da qualidade das estradas nas quais o
veículo é esperado a trafegar, por exemplo, os melhores parâmetros da suspensão
para uma auto estrada de boa qualidade do asfalto deve ser bem diferente daquele
esperado como sendo o melhor para trafegar em estradas de terra [off road].
Para o veículo aqui em análise, considera-se um uso misto, sendo 70% do período
em uso urbano.
Outro fator importante que deve estar em mente é que, embora o comportamento do
trabalho da suspensão quanto a conforto possa ser medido com boa definição, a
qualidade desse comportamento é realmente uma opinião subjetiva e depende muito
do indivíduo. Ultimamente, porém, existe uma significante variação da opinião na
otimização do projeto da suspensão para atingir tanto a estabilidade como o
amortecimento, mas com maior atenção para o segundo requisito.
15
Existem vários tipos de suspensões veiculares, como as citadas por Álvaro C. Neto
(1995) e na publicação do site Best Cars (2006): Eixo rígido, Eixo de torção, Braço
arrastado, Braço semi-arrastado, McPherson, Multi-braço, entre outras. Cada um
destes tipos de suspensão possui componentes e projeto específicos, bem como
sua aplicação característica. Neste trabalho será detalhada somente a suspensão do
tipo McPherson que é a utilizada no veículo em análise.
A suspensão McPherson foi desenvolvida por Earle Steele McPherson em 1946 e
teve sua primeira utilização na dianteira do Ford Vedette francês de tração traseira e
chegou ao Brasil através do “Simca Chambord”. Atualmente este tipo de suspensão
equipa a grande maioria dos veículos produzidos no país e é aplicada
preferencialmente em veículos com tração dianteira, embora bons exemplos de
veículos de tração traseira continuem a utilizá-la. Trata-se de um sistema simples e
eficiente de suspensão independente. Esta suspensão é composta basicamente por
molas, amortecedores, barras estabilizadoras, pinos esféricos e bandejas inferiores,
conforme mostra a Figura 2.1.
Figura 2.1 – Detalhe dos componentes da suspensão McPherson
Será realizado maior detalhamento da bandeja inferior que é o conjunto onde está
localizada a peça tema deste trabalho.
16
A bandeja inferior do veículo em análise foi apresentada anteriormente na Figura 1.2
e é formada pela barra tensora, braço traseiro, pino esférico, bucha dianteira e
bucha traseira.
É certo que o projeto das buchas da suspensão tem considerável influência no
desempenho deste sistema, de forma a torná-lo mais enrijecida se a bucha utiliza
um material com maior dureza. Desta forma qualquer modificação nos parâmetros
da bucha, significa uma reavaliação de todo o sistema da suspensão.
O comportamento da suspensão quanto a conforto pode ser analisado nos domínios
do tempo ou da freqüência. A análise no domínio do tempo prevê posições,
velocidades e acelerações em função do tempo, que resultam comumente em
valores mostrados na forma de gráficos. Já a análise do domínio da freqüência,
prevê as características e funções da freqüência, como, por exemplo, a ressonância
resultante da ação de uma vibração.
2.2 DESEMPENHO REQUERIDO PARA A BUCHA DA SUSPENSÃO VEICULAR
Herb Adams (1993) coloca a importância de uma boa escolha do elastômero para a
composição da bucha. Esta escolha influenciará não somente no desempenho do
componente no amortecimento do veículo, mas também a sua deflexão tem vital
importância na manutenção da geometria do veículo [camber e caster], ou seja, o
desgaste da mesma com o uso resultará em perda da geometria e esta condição
pode ser muito crítica dependendo do material utilizado na bucha. Logo, a
durabilidade do componente é fator limitante e primordial na validação de uma bucha
elastomérica.
A.Caputo e M.Spina (2003) introduzem que a rigidez do material escolhido para a
bucha da suspensão determina não somente a rigidez da bucha, mas a resposta de
todo o sistema de suspensão do veículo. A escolha da rigidez deve ser um dos
primeiros parâmetros a ser definido e este não é um parâmetro de fácil definição.
17
Para o veículo em estudo, a definição da rigidez será direcionada para manter-se as
características da suspensão atual, ou seja, manter-se a condição de conforto
original do veículo.
2.3 FORÇAS ATUANTES NA BUCHA DIANTEIRA DA SUSPENSÃO VEICULAR
Segundo J.P. Hartog (1972), em um veículo em movimento retilíneo com velocidade
V e velocidade angular das rodas ω, o desbalanceamento de rodas, pneus e eixos,
são as causas comuns de vibrações do sistema de direção de um veículo, e podem
ser maiores proporcionalmente ao aumento da velocidade.
O desbalanceamento destes componentes pode ou não estar em fase, o que
causará uma amplificação da vibração sentida no sistema de direção, vibração esta
que será dependente do ângulo de defasagem do desbalanceamento do lado
esquerdo em relação ao lado direito do veículo.
Para o caso em estudo estaremos considerando as rodas dianteiras
desbalanceadas igualmente e trabalhando em fase.
Para melhor entendimento das forças atuantes na bucha dianteira da suspensão,
faz-se necessário um entendimento das forças atuantes na suspensão do veículo.
Um sistema de suspensão é um sistema complexo para análise de vibração, pois
trata-se de um sistema com vários graus de liberdade.
Em uma primeira análise, pode-se enumerar estes graus como sendo os mostradas
pela Figura 2.2.
18
Figura 2.2 – Indicação dos graus de liberdade da bucha dianteira
A Figura 2.2 mostra os graus de liberdade da bucha nos eixos do veículo, onde x é o
eixo longitudinal, y é o eixo transversal e z o eixo vertical.
Pode-se observar 4 graus de liberdade, sendo 3 movimentos de translação [1 no
eixo x, 1 no eixo y e 1 no eixo z] e um movimento de rotação sobre o eixo x.
Todos os movimentos de translação bem como os movimentos de rotação sobre os
eixos Y e Z são muito pequenos [limitados pela deformação elástica da borracha da
bucha], e, como forma de simplificação dos trabalhos, estes serão considerados
desprezíveis. Logo, o único movimento a ser considerado neste trabalho será o de
rotação sobre o eixo x.
Segundo Fonseca (1964), Thomson (1978), Moura (2003), e Ogata (2004), os
princípios de isolação de vibração podem ser entendidos pela análise de um sistema
linear de um grau de liberdade, semelhante ao mostrado pela Figura 2.3.
19
Figura 2.3 – Representação da suspensão veicular [1 grau de liberdade]
Assumindo que o modelo do veículo mostrado na Figura 2.3 está movendo-se sobre
um pavimento cujo perfil é harmônico, encontramos que:
u = u
0
sen (ωt) (1)
O comportamento dinâmico deste conjunto está submetido às seguintes forças:
- Forca inercial devido à aceleração sofrida pela massa da carroceria:
F = m
ÿ
(2)
- Força de amortecimento devido à velocidade da carroceria e a constante de
amortecimento do sistema de suspensão:
(3)
- Força de mola devido ao deslocamento do corpo e à constante de rigidez da
mola:
F
mol
= k y
(4)
20
Através do equilíbrio das forças, demonstrado pela 2ª leia de Newton, a equação do
movimento pode ser expressa pela somatória destas forças, conforme mostra a
equação (5):
(5)
Onde “y” é o movimento da carroceria do veículo, “u” é o movimento de excitação
das rodas e “F” é uma possível força externa [por exemplo o vento], que aqui será
considerada inexistente, ou seja, F = 0.
Os valores de m, c e k definem dois parâmetros fundamentais ao sistema. O
primeiro é a freqüência natural não amortecida do sistema, dada pela equação (6):
)/( srad
m
k
n
=
ω
(6)
O segundo parâmetro é o amortecimento crítico. Este pode ser definido como o valor
de amortecimento que permite a massa do veículo retornar a sua condição de
equilíbrio estático no menor tempo possível, após uma perturbação nas rodas, sem
que o movimento da carroceria ultrapasse sua coordenada de repouso original. A
definição do amortecimento crítico é apresentada na equação (7):
(7)
A relação entre a constante de amortecimento “c” da suspensão e a constante de
amortecimento crítico é um fator de extrema importância para a escolha do nível de
amortecimento a ser empregado em sistemas de isolação de vibração. Essa relação
entre constantes de amortecimento define o fator de amortecimento do sistema
ζ,
dada pela equação (8):
21
c
c
c
=
ζ
(8)
A freqüência
ω é definida pelo comprimento de onda da pista L e pela distância
percorrida pelo veículo x
m
[ver Figura 2.3]. Se a velocidade do veículo for V,
supostamente constante, então x
m
= Vt, onde t é o tempo decorrido. Nessas
condições
ω será dado por:
)/(
2
srad
L
V
π
ω
=
(9)
Um outro fator importante na análise da vibração é como a mesma é transmitida.
Nos veículos essa transmissão ocorre de forma passiva, isto é, a massa do veículo
está montada sobre uma estrutura que vibra e cujas vibrações transmitidas devem
ser reduzidas a níveis adequados, que é a função principal das buchas da
suspensão.
Define-se a relação entre freqüências, r, como sendo:
n
r
ω
ω
=
(10)
Onde
ω é a freqüência da força de excitação e ω
n
a freqüência natural do sistema
de suspensão.
Com isso, a transmissibilidade pode ser definida pela equação (11):
22
excitaçãodeforçadaAmplitude
atransmitidforçadaAmplitude
Tr
____
___
=
222
2
)2()1(
)2(1
rr
r
Tr
××+−
××+
=
ζ
ζ
(11)
Uma melhor avaliação da relação entre a transmissibilidade Tr, e o fator de
freqüências r, para vários valores do fator de amortecimento ζ, pode ser visto na
Figura 2.4.
Figura 2.4 – Gráfico da transmissibilidade em função do fator de freqüência.
Hartog (1972) chama a atenção no gráfico da Figura 2.4 ao observar que todas as
curvas passam pelo ponto crítico, onde Tr = 1 e r = √2. Para r < √2 com o aumento
do fator de amortecimento (ζ) a transmissibilidade diminui. Já quando r > √2 com o
aumento do fator de amortecimento (ζ), a transmissibilidade também aumenta.
23
O Engenheiro Marcos Barbetti (2005) cita que, além da transmissibilidade, deve-se
observar também o ângulo de fase (ou ângulo de perda) em função do fator de
freqüência. A freqüência da força de excitação é a mesma freqüência do
deslocamento [deformação] do sistema, porém tais freqüências não oscilam no
mesmo tempo, existe uma defasagem ou atraso entre elas. O ângulo de fase
especifica a quantidade na qual a freqüência de deslocamento atrasa em função da
freqüência da força de excitação. Este comportamento pode ser observado no
gráfico da Figura 2.5.
Figura 2.5 – Gráfico do ângulo de fase em função do fator de freqüência.
2.4 BUCHAS ELASTOMÉRICAS PARA A SUSPENSÃO VEICULAR
Os componentes de ligação da bandeja inferior da suspensão com a carroceria dos
veículos são conjuntos compostos comumente de metal/borracha/metal. Estes
componentes são conhecidos como buchas elastoméricas ou coxins da suspensão.
24
As buchas elastoméricas preenchem uma variedade de requisitos da suspensão,
que podem ser descritos como sendo:
- Permitir movimento angular no lugar de juntas esféricas;
- Fornecer flexibilidade à suspensão na condição de aceleração e frenagem,
bem como isolar a carroceria de vibrações oriundas do conjunto roda/pneu e
motor/transmissão para aumentar o conforto do ocupante;
- Atuar como elementos de construção em um layout elasto-cinemático para
atingir o comportamento da geometria quando submetido a forças externas
longitudinais, transversais e verticais.
Segundo o SAE Handbook (2005), as buchas elastoméricas têm importante função
no sistema de direção. Comparado a uma junta esférica, uma junta elastomérica
apropriadamente projetada, tem um custo efetivo mais atraente e a mesma
funcionalidade. Simultaneamente, a elasticidade da junta produz um conforto maior
na transmissão de forças à carroceria do veículo. Outra vantagem de juntas elásticas
é a sua grande maleabilidade, particularmente na existência de uma alta pré-carga
radial [por exemplo, a carga do conjunto roda/pneu]. Esta vantagem pode, contudo,
se tornar uma desvantagem para um deslocamento angular excessivo com uma
simultânea alta rigidez da junta. O movimento resultante de restituição elástica pode
comprometer a função da junta, ou a alta carga torcional pode requerer um
compromisso no layout da rigidez radial, ou seja, haverá uma alteração do
comportamento do conjunto suspensão.
Os engenheiros Stephen W. Hope, Gustavo N.Conrado, Alexandre P. Pinto, João L.
Quaglia, Dominique Cadiot e Chales pintos (2003) mencionam que no
desenvolvimento de buchas da bandeja inferior da suspensão, alguns dados
importantes são os valores desejados da mola longitudinal, vertical e lateral aos
quais a bucha deverá atender para atingir o nível de conforto satisfatório [rigidez da
suspensão]. Para o estudo de caso aqui abordado, estes valores desejados da mola
são os mesmos que a bucha hidráulica está proporcionando. Os valores serão
determinados através do levantamento das curvas de ângulo de perda e rigidez
dinâmica da bucha atual e compará-los aos valores levantados com a bucha
proposta.
25
Os Engenheiros Gerard Gallas e Bernard Renzo (1985) indicam três tipos básicos de
buchas elastoméricas:
1 – Bucha moldada
Figura 2.6 – Exemplo do tipo de bucha moldada
Com projeto particularmente simples, este componente continua sendo muito
utilizado atualmente. Ele é feito de um tubo metálico sobre o qual é feita a injeção do
elastômero. Ela geralmente oferece uma boa resistência à fadiga.
2 – Bucha com dois tubos
:
Figura 2.7 – Exemplo de bucha de dois tubos
26
Este é o tipo mais utilizado atualmente em veículos. O elastômero é aquecido e
injetado entre dois tubos [interno e externo] aderindo às paredes dos mesmos.
3 – Bucha com dois tubos e alma
Figura 2.8 – Exemplo de bucha de dois tubos e alma
Este é um tipo convencional de bucha com dois tubos onde o elastômero é separado
por um terceiro tubo - alma - que pode ser plástico ou metálico, obedecendo o
mesmo processo de produção por injeção da borracha. Este tubo intermediário gera
uma maior resistência radial e reduz o deslocamento axial do tubo externo em
relação ao tubo interno, ou seja, a bucha fica mais rígida.
Os três tipos de buchas citadas têm o elastômero como componente principal.
Todavia existem também as buchas da suspensão que são compostas por nylon em
substituição ao elastômero, conforme o projeto feito para o Ford Mustang
mencionado no site Fordpower (2006). Todavia, o nylon impõe à bucha uma rigidez
muito elevada, o que é benéfico pois representa um aumento considerável na vida
do componente, mas também perde praticamente toda a sua capacidade de
isolamento vibracional. Por este demérito quanto à vibração, este tipo de bucha está
sendo descartado do desenvolvimento aqui proposto.
27
2.5 FUNDAMENTOS DA ISOLAÇÃO DE VIBRAÇÃO APLICADO A ELEMENTOS
ELÁSTICOS DA ESTRUTURA DA SUSPENSÃO VEICULAR
Segundo Korenev e Reznilov (1993), os absorvedores de vibração são efetivos
sobre uma grande amplitude de freqüências de ações externas. A dissipação de
energia nos absorvedores é alcançada comumente pelo uso de amortecedores
viscosos, internos e redutores de atrito. A aplicação de elementos fabricados com
materiais elásticos proporciona alta qualidade na absorção, por exemplo, borrachas
e polímeros.
Nos veículos, são várias as aplicações de absorvedores de vibração, como na
redução das vibrações torsionais vindas do motor ou da suspensão. É muito ampla a
utilização de absorvedores de vibração dinâmica [Dynamic Vibration Absorber –
DVA] para isolar componentes sensíveis à vibração.
Snowdon (1968) cita que o módulo de cisalhamento e a elasticidade de um material
elastomérico deveriam possuir a mesma dependência da freqüência de vibração.
Estes módulos são dependentes da temperatura, ou seja, quando há aumento da
freqüência de vibração ou diminuição da temperatura, os módulos aumentam. Esta
condição pode ser visualizada na Figura 2.9a, onde o módulo dinâmico (G
ω,θ
) é
mostrado como função da freqüência natural (ω) e da temperatura (θ), e na Figura
2.9b é mostrada a variação do fator de amortecimento (δ
Gω,θ) também em relação à
ω e θ.
28
Figura 2.9 – Ilustração da função do módulo dinâmico (G
ω,θ
) e fator de
amortecimento (δ
Gω,θ
) em relação a ω e θ [Snowdon – 1968].
Quando os elastômeros estão sob uma vibração na qual as suas características
mecânicas começam a se modificar, os valores de ω e θ são conhecidos como a
freqüência e a temperatura de transição, respectivamente. Eles referem-se à
transição do material elastomérico sob uma freqüência suficientemente alta ou uma
temperatura suficientemente baixa, onde o elastômero passa para um estado
inextensível ou vitrificado, ou seja, o módulo dinâmico tornou-se tão grande que a
característica de elasticidade do material praticamente desaparece. Neste estado de
transição, o fator de amortecimento passa por um valor máximo que se encontra
aproximadamente na freqüência ou faixa de temperatura através do qual G
ω,θ
aumenta muito rapidamente.
A freqüência de transição de uma borracha natural ou outra borracha de baixo fator
de amortecimento é muito alta à temperatura ambiente, de forma que na faixa de
freqüência onde normalmente ocorrem problemas de vibração, o fator de
amortecimento é pequeno e G
ω,θ
e δ
Gω,θ
variam lentamente com a freqüência. Por
exemplo, o modulo dinâmico e o fator de amortecimento do Neoprene e da borracha
natural são mostrados em função da freqüência nos gráficos das Figuras 2.10 e 2.11
respectivamente.
29
Gráfico 2.10 – Curvas do módulo dinâmico (Gω,θ) e do fator de amortecimento
(δ
Gω,θ) da borracha neoprene em função da freqüência [Snowdon - 1968].
Gráfico 2.11 – Curvas do módulo dinâmico (Gω,θ) e do fator de amortecimento
(δ
Gω,θ) da borracha natural em função da freqüência [Snowdon - 1968].
30
As propriedades dinâmicas do Neoprene mostram baixa dependência da freqüência.
De fato, o fator de amortecimento do Neoprene aumenta mais lentamente na alta
freqüência do que o fator de amortecimento da borracha natural. Na Figura 2.12 são
mostradas as curvas da SBR [Borracha Estireno Butadieno], onde se percebe uma
sensibilidade um pouco maior com o aumento da freqüência.
Gráfico 2.12 – Curvas do módulo dinâmico (Gω,θ) e do fator de amortecimento
(δ
Gω,θ) da borracha SBR em função da freqüência [Snowdon - 1968].
As curvas do Neoprene foram levantadas à temperatura de 25ºC e da borracha
natural e do SBR foram levantadas à 5, 20 e 35ºC. Não é mencionado por Snowdon
(1968) o processo de levantamento das curvas. Porém, para uma análise
comparativa entre os elastômeros, pode-se utilizar estas curvas, assumindo que o
processo de levantamento destas, foi o mesmo para todos os materiais
apresentados.
31
É acrescentado por Snowdon (1968) que a freqüência de transição para materiais de
alto amortecimento, ocorre na freqüência [ou próximo dela] que são normalmente de
interesse em problemas de vibração à temperatura ambiente, ou seja, a freqüência
de transição destes materiais fica em uma freqüência muito mais baixa que a da
borracha natural. O modulo dinâmico (G
ω,θ) de materiais de alto amortecimento,
todavia, aumenta muito rapidamente com a freqüência, como pode ser observado no
gráfico da Figura 2.13 no exemplo da resina butílica.
Gráfico 2.13 – Curvas do módulo dinâmico (Gω,θ) e do fator de amortecimento
(δ
Gω,θ) da borracha butílica em função da freqüência [Snowdon - 1968]
O fator de amortecimento é grande conforme a Figura 2.13 e pode ter variação
relativamente lenta com a freqüência de excitação para este tipo de material.
Embora alto inicialmente, o fator de amortecimento reduz gradativamente com o
aumento da freqüência. Para este material as curvas foram obtidas a temperatura
ambiente.
32
Para distúrbios na forma de impactos, as buchas elastoméricas permitem um
aumento gradual na força transmitida assim como uma dissipação da energia
introduzida pelo impacto através do amortecimento elastomérico. Com isso, fica
aparente que em adição a suas propriedades elásticas, buchas elastoméricas
também trabalham significantemente quanto ao amortecimento. O coeficiente da
mola tem um efeito no comportamento da isolação de vibrações de uma bucha
elastomérica e é uma consideração importante no desenvolvimento do conjunto da
suspensão quando se pensa em amortecimento vertical.
Devido à natureza visco-elástica dos elastômeros, o coeficiente de mola em resposta
a cargas dinâmicas é grandemente dependente da freqüência da excitação,
amplitude da excitação e da temperatura dos componentes. Aumentando a
freqüência, aumentará o coeficiente dinâmico da mola, ângulo de perda e
amortecimento. Este fenômeno está relacionado a uma progressiva mudança do
material para um comportamento semelhante ao vidro, como o efeito do aumento da
freqüência pode ser comparado à redução da temperatura. Similarmente, o aumento
da amplitude de excitação está associado com os aumentos da rigidez e ângulo de
perda.
Segundo H.Braess (2005), um requisito para uma isolação é uma suficientemente
grande razão da freqüência de excitação para a freqüência de ressonância do
sistema. Se a freqüência de excitação é menor que √2 vezes a freqüência de
ressonância do sistema, a isolação não é possível. Na prática, quando a razão da
rigidez da bucha para a rigidez local da carroceria é de pelo menos 10:1, a isolação
tem se provado efetiva. Como geralmente não é possível evitar a passagem da
ressonância pelo sistema, é muito importante incluir coxins elásticos com um
amortecimento suficiente para remover a energia cinética do sistema de vibração e
convertê-la em calor. As características ângulo de perda e fator de amortecimento
descrevem o comportamento de um sistema vibratório. O ângulo de perda indica em
quantos graus a força resultante da combinação dos componentes elasticidade e
amortecimento precedem a deformação elástica, ao passo que o fator de
amortecimento é a razão adimensional do amortecimento atual para o
amortecimento crítico.
33
2.6 VIBRAÇÕES DO VOLANTE DE DIREÇÃO
Uma preocupação grande se tem no estudo de caso aqui tratado quanto à vibração
do volante com a aplicação de uma bucha elastomérica na substituição de uma
bucha hidráulica em virtude da sua característica de menor absorção de vibrações.
Estas vibrações são transmitidas pelo sistema de direção do veículo e chegam até o
volante de direção que passa a vibrar também, causando desconforto ao usuário.
Portanto, esta vibração deve ser evitada.
Para uma suspensão independente, as rodas simplesmente se movimentam com
ponto de pivotamento no eixo de fixação da mesma à carroceria [buchas] e estão
ligadas ao sistema de direção através da junta esférica da barra da direção. Na
suposição de que o volante de direção está seguro firmemente, a principal
submissão é da coluna de direção e a principal inércia é das rodas sobre a junta
esférica da barra da direção. Atritos de vários tipos estão presentes no sistema,
incluindo as juntas esféricas, as quais são projetadas para proporcionar uma
redução do mesmo e evitar problemas no sistema de direção.
Michele Demers (2003) realizou um estudo do relacionamento da vibração torsional
do volante e as características da bucha dianteira da bandeja inferior da suspensão.
Algumas conclusões importantes foram tiradas deste estudo:
- A amplitude da vibração torsional do volante aumenta com o aumento da
velocidade do veículo;
- A amplitude da vibração torsional do volante aumenta com o aumento do
desbalanceamento das rodas dianteiras;
- A vibração torsional do volante é tão maior quanto à rigidez do elastômero
da bucha da bandeja inferior.
As conclusões apresentadas por Michele Demers (2003) confirmam a relação da
bucha da bandeja inferior com a vibração do volante e reforçam a necessidade da
escolha correta do elastômero, com especial atenção à sua rigidez que é uma
34
característica fundamental para se ter sucesso no desenvolvimento de uma bucha
que promova um bom amortecimento e seja uma boa absorvedora de vibrações.
A vibração do volante é um problema crítico em alguns veículos que são
desenvolvidos amortecedores de vibração aplicados à coluna de direção. Todavia,
este tipo de amortecedor não tem grande eficiência porque são desenvolvidos para
trabalhar em uma freqüência específica para cada aplicação. Como a vibração do
volante ocorre sob várias freqüências, que dependerão da velocidade do veículo, do
piso em que trafega entre outros itens, este tipo de absorvedor de vibração não é
considerado muito eficaz.
John C. Dixon (1999) menciona que vibrações do volante de direção foram muito
problemáticas no início do desenvolvimento de motorizações com eixo dianteiro
rígido. A adoção da suspensão dianteira independente melhorou consideravelmente
esta condição. Com maiores conhecimento e estilos, hoje em dia os veículos são
largamente otimizados para evitar o problema de vibração do volante, que incomoda
a grande maioria dos usuários e pode resultar em grande insatisfação.
As vibrações no volante são comumente geradas pelo desbalanceamento do
conjunto roda/pneu. Quando as rodas dianteiras têm um desequilíbrio similar, então
a pequena diferença do raio efetivo de rodagem das mesmas resulta em vibrações
com freqüências variadas em função da velocidade do veículo. Na maioria dos casos
em que a vibração é crítica, a solução não se torna mais viável com a adição de
amortecedores de vibração, mas sim o re-balanceamento do conjunto roda/pneu.
Algumas configurações de suspensão são mais suscetíveis a transmitir as vibrações
do que outras devido a concepção do seu projeto.
35
3 ESTUDO DE CASO
3.1 DESENVOLVIMENTO DA BUCHA ELASTOMÉRICA
Conforme já mencionado, o objetivo deste trabalho é desenvolver uma bucha
elastomérica para substituição de uma bucha hidráulica e solução de um problema
de ruído, avaliando-se os benefícios e deméritos decorrentes desta substituição.
O desenvolvimento da nova bucha levou em consideração a manutenção das
características do veículo proporcionadas pela bucha hidráulica, buscando manter a
curva tensão/deformação, absorção de desbalanceamento, conforto da suspensão e
durabilidade da bucha.
Os gráficos de rigidez dinâmica e ângulo de perda levantados para a bucha
hidráulica à temperatura ambiente conforme a norma DIN 53513 [determinação das
propriedades visco-elástico de elastômeros], são mostrados nas Figuras 3.1 e 3.2.
Figura 3.1 – Gráfico de Rigidez Dinâmica da Bucha Hidráulica
36
Figura 3.2 – Gráfico de ângulo de perda da Bucha Hidráulica
Para desenvolver o novo componente o primeiro passo foi o levantamento do
histórico do veículo quanto ao uso desta bucha. Este levantamento mostrou que o
veículo iniciou a produção com uma bucha elastomérica que foi utilizada por mais de
5 anos. Esta bucha pode ser vista em corte e montada no suporte na Figura 3.3.
Figura 3.3 – Bucha elastomérica em corte
Esta bucha foi substituída pela bucha hidráulica devido a reclamações de clientes
quanto à vibração do volante. Naquele momento foi realizada uma análise da causa
da vibração e concluiu-se que a mesma era proveniente do desbalanceamento do
conjunto roda/pneu quando este era superior a 5 gramas, ou seja, a bucha
37
elastomérica até então utilizada era muito sensível a este tipo de problema, sendo
então substituída pela bucha hidráulica, que solucionou o problema.
Frente a este histórico, percebe-se que o projeto da nova bucha elastomérica
deveria utilizar de novos artifícios de forma a evitar a reincidência de problemas de
vibração. Portanto, este projeto partiu da premissa do desenvolvimento de uma
bucha elastomérica com design diferenciado, como poderá ser visto no item 3.1.1.
3.1.1 DEFINIÇÃO DOS PARÂMETROS DA BUCHA ELASTOMÉRICA
3.1.1.1 Definição do projeto
Conforme já descrito, baseando-se no histórico problemático da utilização de uma
bucha elastomérica na bandeja inferior, foi considerado como certo o retorno do
problema de vibração do volante caso fosse desenvolvida uma nova bucha com
projeto semelhante ao inicialmente utilizado pelo veículo [mostrada na Figura 3.3].
Desta forma, foi analisada uma alternativa de decompor a nova bucha em duas
partes para que estas pudessem ter uma característica diferenciada do desempenho
limitado e abaixo do esperado até então encontrado na bucha elastomérica. Com
isso, as possibilidades de modificação de material, dureza e outras características da
bucha, poderiam ser trabalhadas independentemente para cada parte da nova
bucha. Este trabalho limitou-se ao uso de componentes iguais em ambas as
metades, ou seja, o mesmo material, características mecânicas e físicas nos dois
componentes, buscando uma simplificação do processo de fabricação e minimização
do investimento em ferramental, inventário e dispositivos de controle, sendo que
estes itens teriam valor dobrado se tivermos componentes diferentes. Todavia, se o
sucesso não for alcançado nesta condição, uma diferenciação das duas metades
será necessária e o investimento maior inevitável. Este novo projeto pode ser visto
nas Figuras 3.4 e 3.5.
38
Figura 3.4 – Projeto da bucha elastomérica
Figura 3.5 – Desenho da Bucha Elastomérica
O projeto baseou-se na bucha do tipo dois tubos com alma, conforme disposto pelos
engenheiros Gerard Gallas e Bernard Renzo (1985). Este tipo de bucha foi utilizado
devido à necessidade da alma [tubo intermediário entre os tubos interno e externo]
para aumentar a resistência radial. Isso porque esta bucha tem o diâmetro bem
39
maior do que a espessura da mesma tornando-a sensível a deformações quando
sob cargas radiais.
Também foi utilizada uma arruela cravada no tubo interno para que o deslocamento
axial da bucha seja reduzido [deslocamentos observados durante a aceleração e na
frenagem do veículo], evitando com isso um esforço superior ao que o elastômero
suportaria visto que a alma se apoiará na arruela. Este movimento excessivo pode
gerar desprendimento do elastômero dos tubos ou uma fissura no primeiro,
inutilizando completamente a bucha.
3.1.1.2 Definição das dimensões
Para a definição das dimensões da bucha foi pressuposto manter-se a interface da
mesma com o suporte, com o mínimo de alterações possível no processo de
montagem. Como a montagem passaria de 1 para 2 buchas por lado do veículo, o
projeto considerou uma definição de dimensões da bucha de forma que a montagem
da barra tensora, porca de fixação e cravamento no suporte fossem mantidos, ou
seja, após a nova bucha ser montada no suporte, ela torna-se totalmente
intercambiável no sistema de suspensão, o que facilita o processo de substituição
deste componente em concessionários [pós-vendas] quando da reparação do
veículo por problemas de impacto ou por qualquer outro motivo.
Todos esses itens foram mantidos com exceção da montagem da bucha no suporte,
que passou a ser em posição contraposta em função da nova bucha ser bipartida,
conforme mostra a Figura 3.6. Todavia, isso não é um problema, visto que, a
montagem da bucha é feita através de uma prensa que possui um dispositivo que
posiciona a mesma no suporte e pode ser adaptado para a nova condição de
montagem. Entretanto, vale ressaltar que neste trabalho não será abordado em
profundidade o processo de montagem da bucha pois o objetivo aqui definido é a
avaliação do novo produto e não do processo.
40
Figura 3.6 – Posicionamento contraposto das metades da nova bucha
A Figura 3.7 mostra o conjunto bandeja inferior da suspensão do veículo em análise
montado com a bucha. Já a Figura 3.8 mostra a vista em corte [detalhe A-A da
Figura 3.7] das buchas elastomérica (A) e hidráulica (B) no suporte, comparando as
duas montagens.
Figura 3.7 – Montagem da bandeja inferior da suspensão
41
Figura 3.8 – Corte A-A: Montagens das Buchas elastomérica (A) e hidráulica (B)
no Suporte
3.1.1.3 Definição do elastômero
A escolha do elastômero para aplicação na bucha deve levar em consideração
fatores importantes para o seu bom desempenho, como a localização e exigência ao
qual o componente estará sujeito. A bucha da bandeja é um componente de
segurança e muito importante na manutenção dos parâmetros da geometria do
veículo. Conforme Ricardo S.P. Montenegro e Simon S.K. Pan (2006), os fatores
principais a serem considerados na escolha do elastômero são:
- Temperatura de trabalho;
- Deformação permanente;
- Resistência mecânica;
- Resistência a ataques químicos;
- Ângulo de perda ou Amortecimento;
- Rigidez dinâmica.
Para a bucha da bandeja inferior, a temperatura de trabalho é a temperatura
ambiente, portanto não é necessário ter-se muita preocupação quanto a este item.
Os demais itens mencionados são vitais para o desenvolvimento de um bom
componente e serão levados em consideração neste estudo.
42
Snowdon (1968) menciona que a freqüência de transição para uma borracha natural
é muito alta à temperatura ambiente [freqüência onde as características mecânicas
do material se modificam]. Na faixa de freqüência onde normalmente ocorrem
problemas de vibração, que varia de acordo com o veículo, a causa principal da
existência deste problema é o baixo fator de absorção do material, muito
provavelmente porque o elastômero se encontra na sua freqüência de transição.
Não foi mencionado por Snowdon qual a freqüência de transição para cada material.
Desta forma, os ensaios práticos serão vitais para a avaliação do material escolhido.
De forma a auxiliar na definição do material para a bucha, a tabela 3.1 lista vários
elastômeros e suas características principais, segundo apresentado pela empresa
Dipebor soluções em borracha (2006).
Tabela 3.1 – Tabela de tipos de elastômero e suas características principais.
43
Pode ser observado na tabela 3.1 que vários materiais poderiam ser aplicados na
bucha da bandeja inferior, como por exemplo a borracha natural, o Neoprene ou
mesmo o EPDM (Estileno-Propileno-Monômero-Diênico).
Todavia, a bucha da bandeja inferior é um componente de segurança e, por esta
razão, deve-se ter atenção aos requisitos de resistência mecânica e durabilidade
[vida em fadiga].
Realizando uma pesquisa dos materiais utilizados neste tipo de componente em
alguns veículos produzidos atualmente, verificou-se que todos utilizam a borracha
natural nesta bucha.
Também foi consultado o fornecedor de componentes de borracha Tenneco
Automotive Brasil Ltda o qual utiliza e recomenda a borracha natural para buchas da
suspensão. Especialistas em elastômeros da Engenharia de materiais da General
Motors do Brasil também indicaram a borracha natural como o melhor material para
a aplicação.
Logo, apesar da borracha natural se enquadrar nas considerações de Snowdon
como um material que perde suas características com o aumento da frequência, as
recomendações e histórico de bom desempenho deste material na aplicação,
principalmente quanto à resistência mecânica, foi definido que o material da nova
bucha será a borracha natural.
Vale acrescentar que as características dos elastômeros apresentados na tabela 3.1
podem ser melhoradas com a aplicação de cargas na formulação de cada
componente. Todavia, esta alternativa resultaria em aumento do custo do material, o
que é prejudicial para o estudo de caso quanto a sua viabilidade econômica.
As características da borracha natural escolhida serão definidas pelas normas SAE
[Society of Automotive Engineering] J200 e ASTM [American Society of Testing
Materials] D2000.
44
4 ENSAIOS E RESULTADOS
Os requisitos de desempenho e funcionalidade para a bucha elastomérica foram os
mesmos exigidos na aprovação da bucha hidráulica e que serão mostrados a seguir.
Conforme já descrito, o objetivo inicial deste trabalho é que a nova bucha
elastomérica tenha um desempenho similar ao da bucha hidráulica para que se
possa indicar ou não o uso da primeira como componente substituto para a bucha
hidráulica, mantendo as mesmas características de conforto, absorção de vibrações
e de desempenho da suspensão do veículo onde a mesma será montada. Alguns
testes têm requisito mínimo de vida e, portanto, não será necessária a comparação
do resultado entre as buchas, somente a apresentação dos resultados encontrados.
4.1 ANÁLISES LABORATORIAIS
A fase inicial de ensaios foi o levantamento das curvas de tensão/deformação
comparativamente para as buchas hidráulica e elastomérica. Este ensaio foi
realizado conforme a especificação interna da General Motors GME 60232, que é
baseado nas seguintes normas internacionais: DIN 862, DIN 876-1, DIN 876-2, DIN
878, DIN 6370, DIN 51220, DIN EN ISO 7500-1, DIN EN 10002-2 e DIN EN 10002-4.
Para este ensaio foram levantadas as curvas para duas direções de carga F1 e F2,
conforme apresentado na Figura 4.1.
45
Figura 4.1 – Desenho esquemático da direção das forças do ensaio de
tensão x deformação
O equipamento utilizado para este ensaio foi um dinamômetro Kratos onde as
buchas foram dispostas conforme mostra a Figura 4.2.
Figura 4.2 – Equipamento de ensaio tensão x deformação
As curvas encontradas são mostradas nas Figuras 4.3 e 4.4.
46
Figura 4.3 – Curva tensão x deformação para a carga F1.
Figura 4.4 – Curva tensão x deformação para a carga F2.
É possível observar que a bucha elastomérica tem maior deformação que a bucha
hidráulica com carga no sentido axial (F1). Já para cargas radiais (F2) a bucha
hidráulica tem maior deformação.
47
Este comportamento estático pode ser traduzido em um comportamento dinâmico no
veículo onde a bucha elastomérica proporcionará maior conforto aos ocupantes ao
passo que a bucha hidráulica deverá mostrar-se melhor na redução dos efeitos
sentidos na carroceria durante a frenagem ou aceleração do veículo.
Na seqüência dos ensaios laboratoriais foram levantadas as curvas da rigidez
dinâmica e ângulo de perda para a bucha elastomérica, conforme mostram as
Figuras 4.7 e 4.8, para posterior comparação com as curvas da bucha hidráulica.
As curvas foram levantadas conforme a norma DIN 53513 [determinação das
propriedades visco-elásticas de elastômeros].
Para o levantamento das curvas, foi utilizado um equipamento de ensaio em um eixo
[fabricante MTS] composto por uma unidade de carga, uma unidade de controle e
um gerenciador, conforme mostra a Figura 4.5. A peça a ser analisada foi disposta e
a carga aplicada conforme mostra a Figura 4.6.
Figura 4.5 – Desenho esquemático do equipamento de ensaio laboratorial
48
Figura 4.6 – Posição do componente e aplicação da carga no ensaio
laboratorial
4.1.1 Rigidez dinâmica
Condições de ensaio: Freqüência: 1 a 40 hz
Amplitude: ± 1 mm
Figura 4.7 – Gráfico de Rigidez Dinâmica da Bucha Convencional
Bucha Elastomérica
Rigidez Dinâmica
1000
1050
1100
1150
1200
1250
1300
5 10152025303540
Frequência (Hz)
Carga (N/mm)
49
4.1.2 Ângulo de Perda
Condições de ensaio: Freqüência: 1 a 40 hz
Amplitude: ± 1 mm
Figura 4.8 – Gráfico de Ângulo de perda da Bucha Convencional
Para realizar a análise comparativa das curvas de rigidez dinâmica e ângulo de
perda para as buchas, as curvas serão plotadas respectivamente em um único
gráfico, como mostram as Figuras 4.9 e 4.10.
Figura 4.9 – Gráfico de Ângulo de perda comparando as buchas
convencional e hidráulica
Bucha Elastomérica
Perda de Ângulo
10,4
10,45
10,5
10,55
10,6
10,65
10,7
5 10152025303540
Frequência (Hz)
Angulo (º)
50
Figura 4.10 – Gráfico de rigidez dinâmica comparando as
buchas elastomérica e hidráulica
Pode-se traduzir o ângulo de perda como o amortecimento gerado pelo componente.
Olhando as curvas do ângulo de perda na Figura 4.9 vemos que o amortecimento
gerado pela bucha hidráulica é bem maior que o da bucha elastomérica
principalmente à baixa freqüência [entre 10 e 20 Hz]. Contudo, não é possível dizer
que o comportamento da bucha elastomérica é rejeitável. Faz-se necessária uma
avaliação veicular para esta definição.
Já a rigidez dinâmica pode ser traduzida como o conforto ou aspereza
proporcionado pelo componente, ou seja, está ligado à dureza “Shore A” do
componente. No gráfico da Figura 4.10 pode ser verificado que a bucha
elastomérica tem melhor desempenho até 8 Hz de freqüência. Acima deste valor a
bucha hidráulica é superior. Todavia, da mesma forma que para o ângulo de perda,
a avaliação veicular é o fator relevante para a definição do melhor componente.
51
4.1.3 Fadiga torsional
Este ensaio tem por objetivo avaliar a resistência da bucha quando submetida a
esforços superiores aos que a mesma estará sujeita durante o seu trabalho no
veículo, isto para que seja garantido que 100% das peças não apresentem
problemas de durabilidade durante o uso, desde que obedeçam as especificações
do projeto e produção e não estejam sob uso abusivo.
Para este ensaio, conforme procedimento interno da General Motors “GME L-6Q-5”,
a bucha deve ser montada em dispositivos e solicitada conforme mostra a Figura
4.11.
Figura 4.11 – Esquema para ensaios dinâmico e estático
Condições de ensaio: Carga axial: Fa = +/- 1 KN
Freqüência de Fa: 5 ± 0,5 hz
Ângulo de torção:
α = ± 15º
Freqüência de
α: 1 ± 0,1 hz
Vida mínima: N = 250.000 ciclos
Para realização deste ensaio foi utilizado um equipamento com atuadores em dois
eixos para aplicação da força Fa e do ângulo
α, conforme mostra a Figura 4.12.
52
Figura 4.12 – Equipamento de ensaio de fadiga
Este equipamento possui um sistema computadorizado para monitoração das cargas
aplicadas no componente, conforme pode ser visualizado na Figura 4.13.
Figura 4.13 – Monitores do teste de fadiga
Para aprovação neste ensaio foi utilizado o requisito da montadora para aprovação
de buchas da suspensão, onde no mínimo 3 buchas devem ser testadas e
ultrapassar 250.000 ciclos sem aquecimento da borracha acima de 55º C, sem
rupturas, trincas ou descolamento da borracha após o ensaio. Foram ensaiadas 6
buchas elastoméricas onde todas ultrapassaram 300.000 ciclos, estando portanto
aprovadas neste ensaio.
53
4.2 Testes no veículo
4.2.1 Conforto
Este teste foi realizado com o veículo trafegando por uma pista conhecida, onde se
conseguiu avaliar subjetivamente o desempenho do veículo com o componente sob
as mais variadas condições de uso, compreendendo curvas para a esquerda e
direita, buracos, ondulações e imperfeições na pista.
Segundo H. Braess (2005), apesar da disponibilidade de equipamentos de alta
qualidade e tecnologia para avaliação de componentes, como a análise virtual, por
exemplo, a avaliação subjetiva continua sendo uma importante ferramenta para
refinar-se as propriedades de conforto e dirigibilidade de componentes veiculares.
Isto pode ser atribuído principalmente à habilidade e experiência de Engenheiros
experimentais, percepção esta conseguida através de constantes avaliações e
testes veiculares por vários anos consecutivos.
Estas avaliações podem ser realizadas não somente para componentes da
suspensão, mas para muitos outros componentes aos quais a condição destes seja
perceptível pelo cliente final. São também avaliados subjetivamente o sistema de
direção, freios, pneus, bancos, pedais, entre outros. Vale acrescentar que a
avaliação subjetiva é um teste adicional a outros tantos necessários à aprovação de
cada um dos mencionados componentes e sistemas, como no estudo de caso aqui
abordado.
Para uma maior confiabilidade do resultado é aconselhável que a avaliação seja
conduzida com três avaliadores, condição esta adotada para o estudo de caso.
A classificação do componente é feita através de notas atribuídas ao componente
conforme o seu desempenho, baseado na percepção do cliente quanto a um
possível distúrbio.
54
Tabela 4.1 – Notas para a avaliação subjetiva
A tabela 4.1 indica as notas mínima (zero) e máxima (dez) para a classificação de
um componente. As cores mostram as faixas indicadas para aprovação e rejeição da
peça, onde a nota 6 seria a condição mínima para aprovação. Todavia, esta
condição mínima pode variar dependendo do item e da especificação da montadora.
Para a bucha da suspensão será utilizada a nota 6 como condição mínima.
Este teste foi realizado comparativamente com a bucha hidráulica. A seguir são
apresentadas as médias aritméticas das notas obtidas:
55
Tabela 4.2 – Resultado comparativo do teste de conforto
A tabela 4.2 mostra que em todos os itens desta avaliação a bucha elastomérica
teve comportamento igual ou superior à bucha hidráulica com exceção do item 1.10,
onde a bucha hidráulica teve comportamento ligeiramente superior. Teste
considerado aprovado.
4.2.2 Dirigibilidade
Este teste foi realizado para verificar se a condição de dirigibilidade do veículo foi
mantida ou se houve alguma alteração. É de conhecimento que a bucha da bandeja
inferior tem influência no comportamento da suspensão do veículo e, por
conseqüência, a condição de dirigibilidade do mesmo também pode ser afetada.
Para este teste foi utilizado o mesmo percurso do teste de conforto vertical. A seguir
são apresentados os resultados obtidos:
56
Tabela 4.3 – Resultado comparativo do teste de dirigibilidade
A tabela 4.3 mostra que a bucha elastomérica teve comportamento similar à bucha
hidráulica em todos os itens da avaliação de dirigibilidade com exceção dos itens 3.4
e 3.8. Porém o demérito da bucha elastomérica nestes itens é muito pequeno e,
conforme a classificação de desempenho da avaliação subjetiva, a nota 7 representa
uma condição satisfatória do componente. Portanto, o componente está sendo
considerado aprovado neste teste.
57
4.2.3 Vibração de volante de direção
Este teste foi conduzido para verificar a eficácia da bucha elastomérica em
comparação à bucha hidráulica quanto a absorção de desbalanceamento
proveniente dos componentes não suspensos.
Para o teste foram utilizados conjuntos de rodas/pneus originais, devidamente
calibrados e balanceados. Uma primeira avaliação foi realizada e em seguida foi
aplicado um desbalanceamento nas rodas dianteiras, gradual e crescente em 10
gramas por avaliação. O veículo foi acelerado em linha reta e entre as velocidades
de 70 a 140 km/h foi medida a aceleração angular torsional do volante de direção. O
acelerômetro foi posicionado na parte superior do volante segundo a Figura 4.14 e o
mesmo é capaz de indicar a aceleração tangencial apesar de estar medindo a
aceleração angular de vibração do volante.
Figura 4.14 – Indicação da posição do acelerômetro no volante
58
Os resultados são mostrados a seguir:
Figura 4.15 – Resultado comparativo do teste de vibração sem
desbalanceamento.
Figura 4.16 – Resultado comparativo do teste de vibração com 10
gramas de desbalanceamento.
59
Figura 4.17 – Resultado comparativo do teste de vibração com 20
gramas de desbalanceamento.
Figura 4.18 – Resultado comparativo do teste de vibração com 30
gramas de desbalanceamento.
As Figuras 4.15, 4.16, 4.17 e 4.18 mostram que a bucha elastomérica tem
desempenho inferior à bucha hidráulica em 0,1 m/s
2
com 10 gramas de
60
desbalanceamento, passando para 0,22 m/s
2
de diferença com 20 gramas e
chegando a mais de 1 m/s
2
sob 30 gramas de desbalanceamento.
O resultado deste teste é que a bucha elastomérica tem comportamento similar à
bucha hidráulica com até 10 gramas de desbalanceamento dos componentes não
suspensos, sendo portanto aprovado para esta condição. Já para um
desbalanceamento superior a 10 gramas, a bucha hidráulica tem comportamento
muito superior, estando a bucha elastomérica reprovada com desbalanceamento
acima deste valor.
4.2.4 Durabilidade no veículo
Para confirmar o desempenho da bucha sob as diversas condições a que o veículo
se submete, é importante realizar-se uma avaliação de campo da bucha. O teste
laboratorial de fadiga é um pré-requisito para a validação de uma bucha da
suspensão. Contudo, o teste em veículo permite avaliar em condições reais de
pressão e temperatura, todas as variações e limitações que não podem ser
representadas em laboratório, como intempéries, forças em direções não
conhecidas, impactos, entre outros itens.
Dois veículos foram submetidos a teste de durabilidade onde os componentes foram
avaliados quanto à sua resistência em rigorosas condições de uso comum e
abusivo, que representaram cerca de 100.000 km de rodagem por veículo. As mais
variadas condições de uso são impostas como variações de tipo de piso, velocidade,
carregamento do veículo e local de tráfego [urbano, rodoviário ou fora de estrada].
O requisito de aprovação dos componentes é finalizar o teste sem apresentar
trincas, rupturas, perda de torque de fixação ou descolamento da borracha e não
apresentar ruído. As buchas elastoméricas finalizaram o teste em condições normais
de desgaste e não apresentaram ruído durante todo o teste, estando portanto
aprovadas.
61
5 CONCLUSÃO
O ensaio laboratorial mostrou que a bucha elastomérica tem desempenho similar à
bucha hidráulica quanto ao atendimento ao requisito de vida útil conforme mostra o
item 4.1.3.
Já nos testes no veículo, pode-se constatar que a bucha elastomérica teve melhor
desempenho que a bucha hidráulica em 5 quesitos de conforto, sendo inferior
somente em um deles, portanto o comportamento foi considerado similar, conforme
mostra o item 4.2.1.
Quanto à dirigibilidade, houve pequena piora em dois quesitos, resultando em
desempenho inferior da bucha elastomérica neste item, segundo mostra o item
4.2.2. Todavia, como a nota 7 representa uma condição satisfatória do componente
e as notas dos dois quesitos foram 6,5 e 7,0, considera-se o componente
elastomérico ainda com bom desempenho.
Para o teste de durabilidade, as buchas atenderam ao requisito mínimo de vida,
finalizando o teste sem problemas, sendo portanto, consideradas similares também
neste ensaio, conforme visto no item 4.2.4.
O teste de vibração do volante mostrou que a bucha hidráulica tem desempenho
superior à elastomérica com o aumento do desbalanceamento, como já era
esperado e pode ser visto no item 4.2.3.
Pela avaliação dos especialistas de campo, uma vibração com aceleração superior a
0,7 m/s
2
seria percebida pela maioria dos usuários, o que resultaria em insatisfação
e reclamação. Como vemos nos gráficos de teste das Figuras 4.15, 4.16, 4.17 e
4.18, o desbalanceamento de 10 gramas provoca uma aceleração de 0,6 m/s
2
. Logo,
uma condição de desbalanceamento superior a 10 gramas com o uso da bucha
elastomérica é considerada insatisfatória.
Para um veículo de passeio, conforme o caso em estudo, a absorção de um
desbalanceamento de até 10 gramas é considerado um bom índice de absorção.
Portanto, apesar de um comportamento inferior quanto a esse quesito de
62
desempenho, a bucha elastomérica tem viabilidade de implementação em
substituição à hidráulica, pois soluciona o problema de ruído e é superior à bucha
hidráulica em alguns quesitos de conforto.
É importante ressaltar que a bucha elastomérica não apresentou ruído em nenhum
dos testes realizados, tanto em laboratório quanto em veículo.
Em adição à solução do problema de qualidade, a implementação da bucha
elastomérica proporcionará uma substancial redução de custo com sua
implementação, sendo da ordem de metade do custo da bucha hidráulica.
Conclui-se portanto que, considerada a condição de desbalanceamento máximo de
10 gramas para os componentes não suspensos, a bucha elastomérica tem
viabilidade técnica de substituição da bucha hidráulica, pois soluciona o problema de
ruído [rangido], tem comportamento similar à bucha hidráulica quanto à absorção de
vibrações, possui bom desempenho quanto à durabilidade e reduz significativamente
o custo do produto.
63
6 RECOMENDAÇÃO PARA TRABALHOS FUTUROS
A bucha elastomérica bipartida desenvolvida neste trabalho, tem possibilidade de
melhoria através da diferenciação da composição das duas metades visando
melhorar o desempenho do componente.
Como o desempenho da bucha elastomérica quanto à absorção de vibração foi
inferior ao da bucha hidráulica, é possível modificar-se as características de uma das
metades [modificação do elastômero, aumento da dureza, modificação da alma etc]
buscando otimizar o seu desempenho e, eventualmente, conseguir uma condição
equivalente ou superior do que a apresentada pela bucha hidráulica.
64
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Adams, H., Bushings and Deflections, Chassis Engineering, HP Books, New York-
USA, 1993, f.133.
Barbetti, M.R.S., Estudo comparativo entre coxim hidráulico e coxim
elastomérico, aplicados ao sistema de apoio do motor automotivo. 2005 69f.
Dissertação de Mestrado. Universidade de São Paulo. São Paulo, 2005.
BEST cars website. Disponível em http://www2.uol.com.br/bestcars/tecprep/susp-
1.htm, Acesso em: 14 set. 2006.
Braess, H.; Seiffert,U., Handbook of automotive engineering, Society of
Automotive Engineers – SAE, Warrendale, PA-USA, 2005, f.635, p.440-445, 482-
483.
Caputo, A.; Spina, M., Sensitivity of suspension system performance to bushing
stiffness variation – An evaluation methodology. In: SAE - Society of Automotive
Engineers World Congress, 2003, Michigan, 12p.
Costa Neto, A., Sistemas de Suspensão, Departamento de Engenharia Mecânica –
Escola de Engenharia de São Carlos. USP. São Paulo. 1995. 125 p.
Demers, M., Suspension bushing effects on steering wheel nibble. SAE
International – Noise & Vibration conference ans exhibition. Traverse City, Michigan.
5 a 8 de maio de 2003.
Dipebor Soluções de borracha website. Disponível em
http://www.dipebor.com.br/inftecnicas.htm
, acesso em 18 out 2006.
65
Dixon, J.C., The Shock Absorber Handbook, Society of Automotive Engineers –
SAE, Warrendale, PA-USA, 1999, 495p., f. 110-112, 131-132
Fonseca, A, Vibrações. Rio de Janeiro – RJ, 1964. pp.215-225 e 245-255.
FORD power website. Disponível em http://fordpower.net/main/press-
releases/mustang/front-control-arm-bushings-from-strange-development.htm, Acesso
em 20 jul 2006.
Gallas, G.; Renzo, B., New Products developed to improve the isolation qualities
of automobile suspension systems: Torsidyne and Atadyne, SAE Passenger car
meeting, Dearborn, Michigan, 23 a 26 de setembro de 1985.
Gillespie, T., Fundamentals of vehicle dynamics, Society of Automotive Engineers
– SAE, Warrendale, PA-USA, 1992, 495 p., f. 147-160.
Hartog, J.P., Vibrações nos sistemas mecânicos, São Paulo: Universidade de São
Paulo, 1972. 366 p.
Hope, S. W.; Conrado, G.N.P.V.; Pinto, A.P.; Quaglia, J.L.C.; Cadiot, D.; Pintos, C.,
Lower control arm rear bushing development: an integrated approach.
Congresso SAE Brasil, São Paulo, 18 a 20 de novembro de 2003.
Korenev, B.G.; Reznikov, L.M., Dynamic vibration absorbers, John Wiley & Sons
Inc, Chichester - England, 1993, f.7,16,259.
Montenegro, R.S.P.; Pan, S.S.K., Panorama do setor de borrachas. BNDS –
Gerência setorial do complexo químico. Disponível em
http://www.bndes.gov.br/conhecimento/bnset/borrach2.pdf
, Acesso em 17 out 2006.
66
Moura, E.D.A., Estudo de Suspensões Passiva, Semi-Ativa MR e Ativa. 2003,143
f. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Itajubá, 2003.
Ogata, K., Systems Dynamics, New Jersey: Pearson Prentice Hall, 2004. 768 p., f.
140-144; 441-448.
Snowdon, J.C., Vibration and shock in damped mechanical systems, John Wiley
& Sons Inc., NewYork-USA, 1968, f. 7-14
Thomson, W.T., Teoria da Vibração – com aplicações, 1978. Interciência ltda, Rio
de Janeiro RJ, 462 p.
Livros Grátis
( http://www.livrosgratis.com.br )
Milhares de Livros para Download:
Baixar livros de Administração
Baixar livros de Agronomia
Baixar livros de Arquitetura
Baixar livros de Artes
Baixar livros de Astronomia
Baixar livros de Biologia Geral
Baixar livros de Ciência da Computação
Baixar livros de Ciência da Informação
Baixar livros de Ciência Política
Baixar livros de Ciências da Saúde
Baixar livros de Comunicação
Baixar livros do Conselho Nacional de Educação - CNE
Baixar livros de Defesa civil
Baixar livros de Direito
Baixar livros de Direitos humanos
Baixar livros de Economia
Baixar livros de Economia Doméstica
Baixar livros de Educação
Baixar livros de Educação - Trânsito
Baixar livros de Educação Física
Baixar livros de Engenharia Aeroespacial
Baixar livros de Farmácia
Baixar livros de Filosofia
Baixar livros de Física
Baixar livros de Geociências
Baixar livros de Geografia
Baixar livros de História
Baixar livros de Línguas
Baixar livros de Literatura
Baixar livros de Literatura de Cordel
Baixar livros de Literatura Infantil
Baixar livros de Matemática
Baixar livros de Medicina
Baixar livros de Medicina Veterinária
Baixar livros de Meio Ambiente
Baixar livros de Meteorologia
Baixar Monografias e TCC
Baixar livros Multidisciplinar
Baixar livros de Música
Baixar livros de Psicologia
Baixar livros de Química
Baixar livros de Saúde Coletiva
Baixar livros de Serviço Social
Baixar livros de Sociologia
Baixar livros de Teologia
Baixar livros de Trabalho
Baixar livros de Turismo
