domingo, 29 de junho de 2014

Rod End in Bending - Parte 1

Eu tive a ideia de fazer o Telecurso Zé Ruela por causa deste problema, e este post deveria ser o início da série. Mas como os posts de pneu já estavam prontos, acabaram entrando primeiro, e esses aqui ficaram na geladeira por anos Espero desovar mais telecursos meio acabados em breve.

Um terminal rotular trabalhando em flexão é um problema grave. E mais grave é que pelas fotos das últimas competições estudantis pelo Brasil, eu pude perceber que a coisa virou uma praga. Todo mundo está fazendo isso nos seus carros, e como parece ser uma solução elegante, virou meio que default. E os juízes devem coibir isso. Meu medo é que com os anos isso vire uma coisa normal, os juízes considerem isso normal, os estudantes se formam e vêem isso normal, e no dia que eu comprar um carro com isso, vou pessoalmente na fábrica chamar o engenheiro de burro.

Então vamos pro problema. Me desculpem os desenhos, mas desde que mudei de trabalho não posso mais usar o Catia, e ficaram somente os desenhos na mão pra explicar as coisas. Mas melhor isso que nada, certo?

Deixa eu começar pelo começo: há muitos anos atrás, quando eu ainda participava de uma equipe de MINI BAJA (e olha que faz tempo que o termo mini baja não é mais usado), enchia o saco do Rato para que ele fizesse uma suspensão dianteira assim:
Fig. 1 – esquema em vista explodida de uma suspensão duplo A com erro em aplicação

Era o mundo perfeito: com essa suspensão dava pra ajustar cáster, câmber, convergência, e até um pouco de ajuste da bitola. Tudo poderia ser feito simplesmente rosqueando a mais ou a menos alguns terminais. E, atrasado no curso como sempre fui, não entendia porque ele não fazia essa suspensão.

Me formei, vi que isso era errado, mas confesso que não entendia direito o tal do REIB, ou Rod End In Bending. Traduzindo: Terminal rotular em flexão. Então, vou tentar ajudar a quem também não entende direito isso, pra ver se não acontece mais de eu encontrar essa praga nas competições.

Pra começar, vamos ver algumas das cargas que passam da manga para a bandeja. Essas cargas necessariamente passam pelos terminais, já que são o elo de ligação entre os dois componentes. Nesta figura temos a vista frontal de uma suspensão dianteira:

Fig. 02:  Momento fletor no terminal em vista frontal

Em azul, as cargas que entram vindas do solo, e em verde a reação do conjunto amortecedor/mola. Repare que mesmo que a reação esteja alinhada com o ponto de apoio, no terminal rotular ainda há uma flexão (em vermelho).

Isso foi em vista frontal, uma situação onde é mais crítico para carros off-road, apesar do desenho ser de um carro de pista. Agora vamos ver uma vista lateral, que é mais crítica para carros de asfalto (com um desenho de carro off-road, me perdoem):
Fig. 03:  Forças atuantes na manga em vistas lateral e superior

O que temos aqui são as cargas de frenagem, uma reação da pinça de freio sobre a manga. Isso gera um binário na manga, cuja reação é representada pelas setas azul e verde. Quem segura este movimento de girar a manga (e a pinça de freio) junto com a roda é a bandeja de suspensão. E essa carga passa pelos terminais rotulares. Na vista superior podemos ver como ocorre essa flexão do terminal. Pra facilitar, mostrei somente a carga sobre o terminal superior. Em verde, as cargas da manga, e em vermelho, a flexão.

Certo, e como resolver isso? Vamos ver primeiro a principal recomendação de como montar um terminal rotular em uma barra:

Fig 04: Boa prática da instalação da de um terminal rotular.

Reparem que a ponta do terminal está “enterrada” na barra (ou bucha) em pelo menos uma vez e meia o seu diâmetro. Isso é importante para que a transferência de carga seja gradual da rosca do terminal para a bucha da barra. Além disso, temos uma contraporca para manter a posição do terminal. Essa contraporca é importante, e acreditem, se ela ficar solta, a barra vai correr. Se o outro lado for uma rosca esquerda, aí pior ainda. Você com certeza vai perder a regulagem. É incrível como eu pego essas contraporcas soltas em inspeções, tanto pra SAE como para a CBA.

Aliás, um parêntese aqui. Muito cuidado com o torque aplicado nessa contraporca. Consultem sempre o manual do fabricante do terminal sobre o torque a ser aplicado. Torque de menos solta a porca. Torque demais cria uma tensão extra sobre a rosca do terminal, e com a tração a ser colocada na barra que já vai trabalhar a peça, pode haver a ruptura.

Vamos ver agora como acontece a quebra. Já vimos antes quais são as forças fletindo o terminal, então vamos olhar em mais detalhe como o ocorre a falha:

Fig 05: Terminal submetido a flexão

Claro que a imagem acima está exagerada. Mas as forças de flexão tendem a fazer isso. Acontece que a barra que está fletindo é uma rosca, um concentrador natural de tensão. O resultado é fácil: esforços cíclicos + concentrador de tensão = Fadiga acelerada. Com o tempo isso vai quebrar. Isso se não der azar de bater num morro, numa zebra, um esforço a mais vai provocar quebra imediata.

E o que fazer para evitar isso? Bom, eu posso evitar que o terminal flexione da maneira que está na figura acima, colocando porcas e arruelas, para que a barra fique próxima do início da rosca. Assim não vai ter problema, a maior parte da rosca vai estar apoiada. A figura abaixo dá uma ideia do que vai acontecer:

Fig. 06: Terminal com porcas apoiando a barra.

Ué, mas se a rosca está quase toda escondida, protegida, porque falhou? O que aconteceu? Lembre que o momento de flexão é o mesmo: o peso do carro não mudou, os pontos de apoio do amortecedor não mudaram, a geometria da suspensão também não, nem a manga. Portanto, as condições são as mesmas das figuras 02 e 03. A única coisa que mudou foi a contraporca extra para dar mais apoio. Antes, você tinha, vamos supor, 12 fios de rosca expostos, para fletir. A carga de flexão estava distribuída nesses fios. Agora, você tem 6 fios fletindo, e o momento de flexão é o mesmo. Resultado: vai quebrar mais rápido.

Se você tentar “juntar”a contraporca na cabeça do terminal, como no detalhe da figura acima, para evitar ao máximo o número de fios de rosca expostos, mesmo assim não vai adiantar. SEMPRE vai ter um fiozinho, uma entrada de rosca exposta, e é justamente ela que vai quebrar, porque toda a tensão estará nela. Não, essa solução não serve.

Novamente, o que fazer pra evitar isso? Tá fácil. A resposta vem na ponta da língua: É só colocar um terminal de diâmetro maior. Com uma área de seção maior, as tensões serão menores, e poderemos prolongar a vida em fadiga, certo?

NÃO.

Essa não é uma solução elegante. Aliás, é uma solução bem tosca, do ponto de vista de engenharia. Não interessa o diâmetro, a rosca continua lá, concentrando tensão, abrindo a trinca. Na verdade, ao colocar um terminal maior, você está adiando o problema, não resolvendo. Isso é errado. Não dá pra implementar essa solução num carro de rua. Ou pior, imaginem como seria em um caminhão. A manga e suas conexões são componentes críticos, cuja falha pode levar a sérios acidentes. Não dá pra brincar.

Mesmo se o aumento do diâmetro da rosca fosse uma solução viável, a pergunta seria: O quanto aumentar o diâmetro? Para um bom fator de segurança, seria necessário dobrar o diâmetro. Um juiz de design de Fórmula SAE ficaria muito bravo ao ouvir que a massa suspensa foi aumentada porque a equipe não sabia como resolver o problema...

Sendo realista, eu até concordo com a fabricação de uma bandeja com terminais em flexão, para fins de ajuste fino do carro. Você pode usar o terminal rotular trabalhando em flexão numa bandeja protótipo, e depois que o carro estiver ajustado, pegar as dimensões da bandeja, os ângulos da geometria de suspensão, e fabricar a bandeja definitiva. Eu daria um crédito para a equipe que fizesse isso e me contasse na competição. Seria uma forma válida de desenvolvimento de produto, o uso dessa bandeja-protótipo. O que não vale é aparecer na competição com uma bandeja dessa dizendo que é protótipo, e o carro de produção vai ser diferente.

Acho que nesse ponto já derrubei todos os argumentos para se usar isso comercialmente. E em uso estudantil também. Lembrem que Baja e FSAE são carros de recreação, que no projeto devem ser produzidos em massa para serem VENDIDOS ao mercado de recreação. E mais do que isso, a competição avalia PROJETOS DE ENGENHARIA.

Até aqui foi explicado o problema, o que está errado. No próximo post eu explico o que pode ser feito para se livrar do problema de uma maneira definitiva.

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