Fórmula UFPB (FUFPB)
Integrante: André Henrique da Silva
Subequipe: Suspensão e Direção
Fichamento/Resumo Sobre os Fundamentos da Corrida
● Capítulo 1 do livro Race Car Design: Racing Car Basics
Elementos da Corrida
Em geral, o objetivo de todas as corridas é realizar uma parte da pista ou circuito
no menor tempo possível. Para isso será necessário realizar 3 objetivos:
o Acelerar o Carro para a maior velocidade possível;
o Frear o mais tarde possível na distância mínima possível;
o Contornar as curvas no menor tempo e sair delas com a velocidade
máxima possível.
Como visto acima, o piloto não guiará o carro em uma velocidade constante
durante a corrida. Os três elementos Básicos da corrida envolvem uma forma de
aceleração ou mudança de velocidade. No caso de curvas, será a aceleração lateral, e
para frenagem pode ser considerada a aceleração negativa.
Consequentemente, a fim de acelerar ou mudar de direção, o carro irá se sujeitar
a forças externas, sendo a principal fonte de tal força a interface entre o pneu e a pistaconhecido também como área de contato do pneu. Dessa forma, pode-se concluir que a
habilidade do carro acelerar, frear e mudar de direção depende da força de atrito
desenvolvida entre a borracha do pneu e a superfície da pista. Essa força é geralmente
referida como tração ou aderência, e sua maximização é um critério de design
importante para um carro de competição.
Clássico, ou Coulomb, atrito tem uma relação linear simples entre a carga
normal aplicada e um coeficiente de atrito constante:
Porém o contato entre o pneu e a pista não segue esta lei simples. Na imagem a
seguir é possível ver a relação entre a carga da roda vertical e o máximo de aderência
lateral para um pneu de corrida típico em comparação com a constante de atrito
Coulomb (linha tracejada):
▪
Vemos que o nível de aderência atinge o pico e começa a cair com o
aumento de carga da roda, concluindo que o pneu está sobrecarregado;
▪
O valor da aderência dividido pela carga da roda vertical em um ponto
específico é considerado o coeficiente de atrito instantâneo.
Com certeza o conhecimento dessa força de atrito relacionando os pneus e a
carga vertical das rodas são vitais para muitos aspectos do projeto de um carro de
corrida. Ele é usado para determinar o peso do chassi, componentes do freio, membros
da suspensão, transmissão, etc; assim como ajustar o manuseio e equilíbrio do carro.
Primeiro é necessário determinar a posição do centro de massa do carro, que muitas
vezes é referido como centro de gravidade. O centro de massa é o ponto no qual pode
ser considerado que todas as massas estão concentradas. O conhecimento de sua
localização é importante para que os designers do carro possam determinar a
distribuição de peso entre as rodas frontais e traseiras. Além disso, a altura desse centro
em relação ao chão irá influenciar o grau em que o carro se comportará nas curvas,
assim como a quantidade de peso transferido entre as rodas durante a frenagem,
aceleração e curva.
Posição do Centro de Massa do Veiculo
Na fase preliminar do design, é necessário estimar o centro de massa de cada
componente principal que é adicionado ao esquema. A relação da posição final entre os
componentes e as rodas podem ser ajustados para alcançar a desejada distribuição
frontal/traseira.
A massa combinada é simplesmente a soma dos componentes:
A localização do centro de massa combinado é dada por:
O processo acima simplesmente garante que a massa combinada do composto
exerce o mesmo momento sobre o patch de contato frontal como a soma de todos os
componentes individuais.
Cargas Estáticas das Rodas e Balanço do Peso Frontal/Traseiro
O caso estático refere-se às cargas sobre o carro quando ele não está sendo
submetido a aceleração, frenagem ou a uma curva, sendo considerado totalmente
carregado com o piloto e todos os fluidos.
Para Calcular a Carga do eixo traseiro temos:
Do equilíbrio vertical:
Os carros de competição são invariavelmente construídos mais leves do que o
peso mínimo especificado pelo regulamento técnico do Formula. A diferença é
compensada pela adição de lastro pesado que é estrategicamente posicionada para dar o
melhor equilíbrio frontal/traseiro.
A posição do tanque de combustível apresenta um desafio, pois o peso do
combustível varia muito ao longo da corrida. Na Fórmula 1, onde o reabastecimento não
é mais permitido, os carros partem com até 170 kg de combustível. A solução é colocar
o tanque de combustível próximo ao centro de massa, buscando a mínima mudança no
equilíbrio do carro.
Aceleração Linear e Transferência Longitudinal de Peso
O fato de que a força de tração ocorre em nível de estrada e a força resistiva ao
nível do centro de massa significa que um momento desequilibrado é estabelecido. Isso
causa mudanças nas cargas estáticas por eixo. A magnitude da mudança é conhecida
como transferência de carga longitudinal e é adicionado à carga estática do eixo traseiro
e subtraída da carga estática do eixo dianteiro. Isso explica quando ocorre a aceleração,
a frente do carro sobe e a traseira desce.
Ao acelerar o carro desde a linha de partida até a velocidade máxima temos:
o Estagio 1- Tração Limitada
Durante a aceleração inicial do ponto de partida, o valor da força de tração F é
limitado pela aderência que pode ser gerada pelos pneus acionados. O problema para o
piloto nesse estágio é evitar patinar.
o Estágio 2- Potência Limitada
Conforme a velocidade aumenta, chegará a um ponto que o motor não poderá
fornecer mais energia para girar mais a roda, e desse ponto em diante a aceleração
máxima é limitada pela potência do motor. Além de que quanto maior a velocidade,
maior a força de arrasto da aerodinâmica e outras perdas, necessitando maior força do
motor para superá-las. Nesse ponto, não é possível mais aceleração e o carro alcançou
velocidade máxima.
Aceleração Limitada Pela Tração
O estágio inicial limitado pela tração produz os maiores níveis de força de tração
e transferência de carga longitudinal, tendo assim, maiores cargas na suspensão traseira
e na transmissão.
Força de Tração:
Aceleração Limitada por Potência
Se a potência for limitada, a força de tração deve reduzir à medida que a
velocidade aumenta. Nesse caso, não é o ideal considerar a potência máxima absoluta
do motor, pois geralmente só está disponível em rotações especificas do motor. Nem
toda a força de tração está disponível para acelerar o carro. Parte dela deve ser usada
para superar perdas futuras. As duas principais Perdas adicionais são:
o Resistência ao Rolamento dos Pneus;
o Arrasto Aerodinâmico;
Resistência ao Rolamento resulta em grande parte da energia usada para aquecer
o pneu enquanto a banda de rodagem de borracha deforma-se durante o rolamento. O
grau de resistência está relacionado à carga vertical suportada por cada pneu, bem como
velocidade de rolamento, podendo os pneus de corrida serem aproximadamente 2% do
peso do carro.
Arrasto aerodinâmico depende da área frontal do carro e do grau de streamiling.
Aumenta com o quadrado da velocidade e, portanto, torna-se perda dominante em altas
velocidades.
Frenagem e Transferência de Carga Longitudinal
Como todas as quatro rodas são freadas, a força de frenagem pode ser
considerada simplesmente o peso do carro por um coeficiente que mede o atrito entre o
pneu/pista:
Curva e Transferência de Carga Lateral Total
Embora a magnitude pode permanecer constante, um veículo em curva está
sujeito a alterações de direção e, portanto, mudança de velocidade (pois a velocidade
está em grandeza vetorial. Mudar a velocidade é aceleração e, como um carro tem
massa, isso requer uma força- a chamada força centrípeta.
No caso de um carro, a força centrípeta é fornecida pelo aperto lateral dos pneus,
conhecido também como força e curva.
Nesse caso, o fato do centro de massa não está no centro dos eixos faz significar
que a aderência lateral dos pneus é desigual. Dessa forma, o design deve adicionar uma
aderência maior para os pneus traseiros- digamos usando pneus mais largos. Para
desempenho máximo nas curvas, as rodas dianteiras devem ceder mais ou menos ao
mesmo tempo que as traseiras, significando assim um carro equilibrado. Se as rodas
dianteiras cederem antes das traseiras, o carro é dito subvirar e se recusará a virar e
seguir em frente na curva. Se as rodas traseiras cederem antes das dianteiras, o carro é
dito sobrevirar, e o carro irá girar.
A transferência Total de Carga Lateral é dada por:
Curva e Sensibilidade dos Pneus
Como a transferência de carga lateral aumenta em qualquer extremidade de um
carro, a aderência combinada naquele fim diminui.
O Diagrama G-G
No Diagrama a seguir, indica o limite superior para tação em qualquer direção
para um pneu individual. Nesse caso, o pneu pode suportar pura aceleração ou frenagem
em 1.5g e curvas em 1.4g, mas onde curvas são combinadas com frenagem ou
aceleração, como no ponto A, esse número é reduzido.
Uma forma mais significativa é o próximo exemplo, no qual é para todo o carro
que é obtido pela soma dos diagramas para as quatro rodas. Todo o diagrama do carro
representa o valor máximo de g que pode ser alcançado em qualquer direção. As curvas
de topo plano na zona de aceleração são o resultado de retaguarda tração nas rodas
limitações de potência.
O Efeito da Aerodinâmica Downforce
O objetivo é aumentar a tração aumentando a força para baixo (downward force)
para as áreas de contato com a pista, mas sem adição de massa extra. Os três principais
elementos que produzem downforce são a asa dianteira, a asa traseira e o underbody.
Aceleração e Downforce
O Downforce tem apenas um efeito relativamente pequeno na aceleração. Para
carros com pouca potência, o estágio de tração limitada é relativamente curto e é
provável que o carro se mova no estágio de potência Limitada (Cerca de 90Km/h).
Nessa velocidade há pouca Downforce.
Para Carros de alta potência e alta Downforce, a Situação é Diferente. O carro
não atingirá seu limite de Potência até cerca de 150km/h, pelo qual tempo terá
desenvolvido uma Downforce Significativa.
Frenagem e Downforce
A Aerodinâmica Downforce tem grande efeito nas frenagens em altas
velocidade. Essa força de frenagem é aplicada no centro de pressão na frente do carro, e
não no nível da pista. Como é próximo da posição do centro de massa, teria pouco
efeito transferência longitudinal de carga.
Curva e Downforce
Assim como na frenagem, o Downforce exerce grande efeito em curvas de alta
velocidade. O Aumento efetivo do peso e da aderência combinado com o aumento zero
de massa, significa que o carro pode sustentar altos níveis de força G Lateral.
● Capítulo 1 do Livro Race Car Vehicles Dynamics: O Problema Imposto pela
Corrida
Em termos simples, um circuito de corrida pode ser pensado como um número
de segmentos, cada um deles compostos por um curva, uma reta e uma curva.
Um importante princípio de circuito de corridas é que a velocidade nunca pode
ser constante, a menos que seja mantida arbitrariamente por questões de tráfico, ou
segurança ou limitado pela velocidade máxima do veículo
Em termos de Engenharia, a velocidade é uma quantidade ‘‘vetorial’’ porque
possui tanto uma magnitude(velocidade) e uma direção. As direções do vetor estão ao
longo(tangente) ao caminho do centro de gravidade do veículo e o comprimento do
vetor é proporcional à velocidade naquele ponto.
Por várias razões, os requisitos dos carros de corridas são melhores expressados
em termos de aceleração. Como vimos, o vetor de velocidade muda constantemente na
corrida e a aceleração é, por definição, a mudança no vetor de velocidade com o tempo.
O piloto está ciente de uma forma adicional de aceleração, chamada de
aceleração de curva. Esta aceleração está associada à mudança na direção do vetor
velocidade com o tempo.
A aceleração lateral parece ser um conceito mais difícil de pensar do que a
aceleração em linha reta, embora seja perfeitamente aparente para o motorista. Como
consequência da aceleração longitudinal, um é pressionado para trás contra o assento
quando o veículo aumenta a velocidade em uma direção para frente, e é segurado pelo
cinto quando a velocidade de avanço está diminuindo; um é puxado para o lado quando
a velocidade lateral muda em direção ao centro de uma curva.
Uma conveniente(aproximada) relação para a aceleração lateral é:
O problema imposto pelas corridas pode agora ser resumido como o de gastar o
máximo de tempo o mais próximo possível da fronteira g-g do veículo potencial.
Segue-se os requisitos básicos de design de um carro de corrida:
o A provisão de maiores áreas de manobra ‘‘g-g’’ do veículo ao longo da
gama de condições operacionais.
o A provisão das características de estabilidade e controle do veículo que
possibilitem um motorista habilidoso para operar em ou próximo a esses
limites de aceleração.