Introdução à Engenharia da Motocicleta

Depto de Engenharia
Mecânica da UFPE
Introdução à
Engenharia da Motocicleta
Fábio Magnani e Ramiro Willmersdorf
2010
Parte 2: Ciclística
Aula 01
Programa
• Movimento em
linha reta;
• Movimento em
curva;
• Equilíbrio de
forças:
– Aceleração e
frenagem;
• Efeitos da
transmissão de
potência;
•
•
•
•
Dirigibilidade;
Pneus;
Vibração;
Quadro e
Aerodinâmica;
• Suspensão;
• Freios;
Bibliografia
• Motorcycle Design and Technology –
Gaetano Cocco;
• Motorcycle Dynamics – Vittore
Cossalter;
• Dinâmica;
• Elementos de Máquinas;
Principais diferenças
motos X carros
Principais diferenças
motos X carros
Principais diferenças
motos X carros
• Na motocicleta,
o peso, posição
e
comportamento
do condutor são
fundamentais
para o
comportamento
dinâmico do
veículo;
Movimento em linha reta
• Efeitos importantes para o
equilíbrio:
– Inerciais;
– Giroscópicos;
– Endireitamento devido ao trail;
Efeito Inercial
Efeitos Giroscópicos
• Não é a coisa mais intuitiva do mundo,
para a maioria das pessoas;
• Nada mais é, no entanto, que uma
expressão da inércia (de corpos em
rotação);
• Pequena revisão justifica-se;
Partícula em
trajetória circular
• Em equilíbrio?
v= R
R
R


Como a velocidade
muda de direção, a
partícula não está
em equilíbrio.
Partícula em
trajetória circular
• Examinando a partícula:
v t 

v (t +Δ t )
v
Partícula em
trajetória circular
F
R
A força externa
necessária para
manter a partícula
em movimento
circular uniforme é
então:
Partículas em
trajetória circular
2P
P
R
P
Rotação do
Plano de Rotação
R
Rotação do
Plano de Rotação
• Para que o plano gire, a partícula
precisa ter aceleração transversal ao
plano de rotação!
• Analogamente ao caso anterior:
Rotação do
Plano de Rotação
Rotação do
Plano de Rotação
• A força perpendicular ao plano, para
causar a rotação de uma partícula, é
então:
• As forças nas duas partículas são,
claramente, auto-equilibradas!
• O momento (conjugado) necessário
para efetuar a rotação é:
Rotação do
Plano de Rotação
• Claro que, no caso:
• No caso de um objeto composto de
partículas:
Rotação do
Plano de Rotação
Momento de Direção
Na condução em linha reta
• Três efeitos importante devido ao efeito
giroscópico:
– Momento de direção (steering
moment);
– Momento de rolagem (roll moment);
– Momento de guinada (yaw moment);
Momento de Direção
Momento de Rolagem
Momento de Guinada
Efeito Combinado
• É extremamente complexo, pois um
momento pode gerar rotação, que gera
outro momento, que pode gerar
rotação, …
• Os efeitos giroscópicos contribuem
pronunciadamente para a estabilidade
da moto;
• Os efeitos giroscópicos, obviamente,
aumentam com a velocidade;
Fontes de Efeito Giroscópico
• Obviamente, as rodas são a maior
fonte;
• Motor é importante também:
– Volante;
– Girabrequim;
• Mesmo com a massa menor, podem
operar a velocidades angulares muito
altas;
• Efeito perceptível com a moto parada!
Efeitos de endireitamento
• Dependem da geometria da
motocicleta!
• A combinação destes fatores contribui
fortemente para as características de
dirigibilidade da moto;
• Fatores geométricos:
–
–
–
–
Ângulo do caster;
Trail;
Offset;
Distância entre eixos;
Geometria – Eixo de direção
Geometria – Eixo de direção
Eixo de Direção
Ângulo de Caster
Trail
Offset
Offset
Offset
Atrito na Roda Dianteira
Gira sem
deslizar.
Qual a força de
atrito?
Atrito na Roda Dianteira
Velocidade absoluta?
+
Atrito na Roda Dianteira
Velocidade absoluta
A velocidade
relativa entre o ponto
de contato e o piso
é zero!
Atrito na roda dianteira
Se a roda não está reta...
Força de atrito!
Efeito de endireitamento
Efeito de endireitamento
• Claramente, o valor do momento é
proporcional a:
– Trail normal;
– Valor da força de atrito:
• Coeficiente de atrito;
• Força normal na roda dianteira;
• Momento = trail x efeito dinâmico
Trail
• Se o trail é positivo, o momento atua
contra perturbações, o comportamento
da moto é estável;
• A situação oposta gera instabilidade e
necessidade do motociclista atuar para
manter a moto em linha reta;
Trail
Trail
• Todas as motos tem trail positivo (em
condições normais);
• Valores típicos: entre 40 e 110 mm;
• Situações especiais podem causar trail
negativo;
• Variações rápidas de trail (e do
momento) podem causar instabilidade
dinâmica;
Trail
Trail
Trail
R f Raio da roda dianteira
 ângulo de caster
 ângulo de rotação do guidão
d offset
Efeito do Ângulo de Caster
• Da fórmula, e da figura, quanto maior o
ângulo, maior é o trail e mais estável é
a moto;
• Custom: 28 a 40°
• Moto GP: ~21°
Raio da Roda Dianteira
• Óbvio: aumentar o raio aumenta o trail,
e vice-versa;
• Mesmo pequenas variações (mudança
de pneus) podem fazer alterações
significativas;
• Alteração do raio das rodas, portanto,
não necessariamente boa idéia;
Raio da Roda Dianteira
Offset
Na prática, entre
25 e 40 mm.
Offset
Fator Dinâmico
• Primordialmente influenciado pelas
forças que agem entre a roda e o piso,
resultantes de:
– Peso da moto e piloto;
– Velocidade;
– Coeficiente de atrito;
Peso
• Depende do peso total e de sua
distribuição;
• Quanto maior o peso, maior a força de
atrito resultante e maior o momento de
endireitamento;
• Mais estabilidade (além do efeito de
inércia);
Distribuição de Peso
A distribuição de
peso é um dos
fatores mais
importantes para
a estabilidade, e é
relativamente
controlável pelo
piloto.
Distribuição de Peso
• Peso concentrado na dianteira:
– Mais difícil de girar o guidão, mais
estável;
• Em altas velocidades, no entanto,
arraste diminui a carga na roda
dianteira:
– Diminui o momento de endireitamento,
diminui a estabilidade;
• A distribuição adequada, portanto,
depende do uso pretendido para a
motocicleta;
Distribuição de Peso
• Motos normais: ~ 50/50;
• Com o piloto: ~ 60/40;
• Peso do piloto entre 1 e 1/3 do peso da
moto! Efeito muito importante;
• Posição do piloto pode aumentar ou
diminuir a carga nas rodas de uns 5 a 7
kg.
• (A situação é imensamente mais
complicada nas curvas;)
Velocidade
• Atrito de Coulomb teórico independe
da velocidade;
• Na prática, depende da velocidade de
deslizamento;
• Quando começa o desvio da trajetória
reta, começa uma trajetória curva, e
começa a ação da inércia, transversal
ao movimento;
• Esta força é equilibrada pelo atrito, e
produz momento de endireitamento;
Coeficiente de Atrito
• Óbvio, quanto maior, maior o momento
de endireitamento;
• O reverso é obviamente verdade
também, e facilmente perceptível;
• É praticamente impossível controlar
uma motocicleta em um piso de atrito
muito baixo;
Conclusões Principais
• Para estabilidade em linha reta, quanto
mais rápido, melhor...
• Sempre um compromisso entre
estabilidade e agilidade;
• Muitos efeitos que interagem:
geométricos, dinâmicos, aerodinâmico,
atitude do piloto, etc;
• Na prática, muito ajuste experimental e
manual, e muito ajuste do piloto.