Introdução à Engenharia da Motocicleta

Fábio Magnani e Ramiro Willmersdorf

Depto de Engenharia Mecânica da UFPE

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 emtrajetória circular

• Em equilíbrio?v=R

R

R

Como a velocidademuda de direção, a partícula não estáem equilíbrio.

Partícula emtrajetória circular

• Examinando a partícula:

v

v t

v (t+Δ t )

Partícula emtrajetória circular

R

F

A força externa necessária para manter a partícula em movimento circular uniforme é então:

Partículas emtrajetória circular

R

P

P

2P

Rotação doPlano de Rotação

R

Rotação doPlano de Rotação

• Para que o plano gire, a partícula precisa ter aceleração transversal ao plano de rotação!

• Analogamente ao caso anterior:

Rotação doPlano de Rotação

Rotação doPlano 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 doPlano de Rotação

• Claro que, no caso:

• No caso de um objeto composto de partículas:

Rotação doPlano 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 semdeslizar. Qual a força deatrito?

Atrito na Roda Dianteira

Velocidade absoluta?

+

Atrito na Roda Dianteira

Velocidade absoluta

A velocidaderelativa entre o pontode 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 guidãod 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, entre25 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 paraa estabilidade, e é relativamente controlável pelopiloto.

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.