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Dinâmica de Veículos 2/2012 Profa. Suzana Moreira Avila CONFORTO AULA 5_2 Conjunto roda pneu � Na forma ideal, o conjunto roda pneu é suave e compatível de forma a absorver buracos na pista como parte do sistema de isolamento ao percurso. E ainda funciona bem de forma a não transmitir nenhuma excitação ao veículo. � Na prática, as imperfeições na manufatura dos pneus, rodas, calotas, freios e outras partes do conjunto resultam em não uniformidades do tipo: 1. Desbalanceamento da massa 2. Variações dimensionais 3. Variações na rigidez Conjunto roda pneu � Estes fatores se combinam em um conjunto roda pneu que experimenta variações nas forças e momentos no solo à medida que rola. � Estas forças são transmitidas ao eixo do veículo e agem como excitações de percurso causando vibrações. � Estas variações de força podem ser na direção vertical, longitudinal ou lateral. � As variações de momento nas direções do momento “overtuning”(Mx), momento de alinhamento (Mz) e resistência ao rolamento (My) não são fontes significativas de excitação pelo percurso, ainda que contribuam para vibrações do sistema de direção. Conjunto roda pneu � O desbalanceamento origina-se na distribuição não uniforme nos componentes individuais do conjunto ao do eixo de rotação. � Assimetrias em relação ao eixo de rotação é observado como um desbalanceamento estático. � O efeito resultante é uma força giratória no plano da roda com magnitude proporcional à massa desbalanceada, o raio e o quadrado da velocidade angular. � Por ser giratória no plano da roda, esta roda produz excitações radiais e longitudinais. Conjunto roda pneu � O a força de desbalanceamento é dada pela seguinte equação: � Uma distribuição de massa não uniforme e assimétrica em relação ao eixo de rotação causa um desbalanceamento dinâmico. � O desbalanceamento dinâmico causa um torque giratório na roda, aparecendo como variações no momento “overtuning” e no torque de alinhamento na frequência rotacional da roda. 2)( ωmrFi = Conjunto roda pneu � O pneu, sendo um corpo elástico análogo a um conjunto de molas radiais pode apresentar variações na rigidez ao longo de sua circunferência. Conjunto roda pneu � O efeito significativo dessas não uniformidades no conjunto roda pneu é a geração de forças e deslocamentos no eixo do veículo á medida que a roda gira. � A força de excitação observada quando a roda rola com raio e velocidade constantes, repete-se a cada rotação da mesma. Conjunto roda pneu � Variações na força radial a raio constante em geral tomam a forma da próxima figura. � A magnitude pico a pico da força é chamada “variação da força composta”. � A característica da força pode ser descrita em maiores detalhes pela amplitude dos harmônicos da qual esta é composta. Isto é através da Transformada de Fourier, a composição do sinal como uma série de ondas seno na freqüência fundamental e cada múltiplo de freqüência pode ser determinado. Conjunto roda pneu � A amplitude de cada harmônico em geral é o parâmetro de maior interesse. � O primeiro harmônico da variação da força radial tende a ser menor que o composto, e os harmônicos de ordem mais alta tendem a diminuir em magnitude. � Para pneus de carros de passageiros este decréscimo mostrou ser da ordem de trinta por cento. � A excentridade do cubo da roda pode ainda contribuir para variações na força radial. Conjunto roda pneu Conjunto roda pneu � Os vários harmônicos das não uniformidades radiais no conjunto roda/pneu são funcionalmente equivalentes à imperfeições na forma como mostrado na figura. Conjunto roda pneu � Variações na força de tração advém de não uniformidades dimensionais e de rigidez causadas por dois efeitos. � Considerando uma roda excêntrica, mesmo a baixas velocidades o eixo pode rolar para cima e para baixo pela variação no raio do conjunto da roda. � Sendo assim, uma força longitudinal é envolvida e pode-se verificar uma variação na força de tração. � Esta magnitude vai depender da carga e da magnitude da excentricidade, no entanto, independe da velocidade. Conjunto roda pneu Conjunto roda pneu � Por outro lado, em altas velocidades a roda deve acelerar e desacelerar no curso de uma revolução por causa da variação do raio. � Assim, uma força de tração no solo, portanto no cubo da roda, deve aparecer de forma a produzir aceleração. � A magnitude da força será dependente das propriedades da rigidez longitudinal do pneu e do momento de inércia rotacional da roda. � Adicionalmente, a magnitude da força de tração provinda deste mecanismo irá variar com a velocidade, já que a aceleração varia com a velocidade, geralmente crescendo de um fator 5 no intervalo de velocidades de 5 a 60 mph. Conjunto roda pneu � Portanto, a variação da força de tração no pneu ou no conjunto roda/pneu só pode ser medida de forma válida em altas velocidades, e as propriedades de inércia rotacional do conjunto da roda deve ser ajustado precisamente aos veículos atuais Conjunto roda pneu � Variações nas forças laterais advém de não uniformidades no pneu, mas não podem ser diretamente relacionadas a efeitos laterais na roda ou nos componentes do cubo da roda. � Tendem a ser independentes da velocidade, assim medidas das magnitudes da força a velocidades baixas são também válidas para altas velocidades. � Variações laterais de primeira ordem nas rodas e pneus, ou na forma em que são montados podem causar oscilações. � Isso afeta o balanceamento dinâmico do conjunto. Excitações pela transmissão � A terceira maior fonte de excitação do veículo provém da rotação da transmissão. � Enquanto a transmissão é considerada como sendo tudo o que liga o motor às rodas, o conjunto motor/transmissão será tratado separadamente nesta discussão. � A transmissão consiste nos seguintes componentes: eixo de transmissão, redução de engrenagem e diferencial no eixo de tração e os semi-eixos de ligação às rodas. � De todos estes componentes o eixo de transmissão tem o maior potencial de excitar vibrações de percurso. Excitações pela transmissão � O veículo é excitado pelo desbalanceamento de massa do eixo de transmissão e momentos impostos devido a angulações nas juntas universais do tipo cruzado. Excitações pela transmissão � O desbalanceamento da massa no eixo de transmissão pode ser resultado da combinação de qualquer um dos cinco fatores seguintes: 1. Assimetria das partes giratórias 2. O eixo pode estar descentralizado nos seus suportes 3. O eixo pode não estar reto. 4. Folgas pode permitir ao eixo girar fora do seu centro 5. O eixo é um corpo elástico que pode se deformar Motor � O motor é a fonte primária de potência de um veículo. � O fato dele girar e aplicar um torque à transmissão abre a possibilidade de que ele possa ser também uma fonte de excitação vibratória ao veículo. � E ainda, a massa do motor combinada com a da transmissão é uma parte substancial do chassis, que, usado de forma correta pode atuar como um absorsor de vibrações. Motor Percepção do “Ride” � “Ride” (conforto) é uma percepção subjetiva, normalmente associada ao nível de conforto experimentado durante uma viagem em um veículo. � Em um sentido mais amplo é o produto cumulativo de uma série de fatores. � As vibrações táteis transmitidas ao corpo do passageiro através do assento e às mãos e pés são os fatores mais comumente associados ao percurso. Percepção do “Ride” � De forma geral, é difícil separar a influência de vibrações acústicas (ruído) na percepção do percurso, especialmente pelo fato dos tipos e níveis de ruído são altamente correlacionados com outras vibrações do veículo. � Vale ressaltar ainda, que o confortode forma geral está ainda associado pelo projeto do assento e sua adequação ao corpo do passageiro, temperatura, ventilação, espaço interior e muitos outros fatores. � Todos estes fatores contribuem para a “qualidade do percurso”. Tolerância á vibração no assento � A comunidade automotiva ainda não chegou a um consenso com relação à definição de níveis de tolerância de vibrações no percurso. � Desta forma, inicialmente é aconselhável consultar pesquisas realizadas na área de tolerância do ser humano à vibrações realizadas pela comunidade científica. � Estes estudos, de forma geral, tendem a focar na tolerância relacionada ao desconforto na posição sentado, em um esforço para determinar a sensibilidade à vibração em determinada freqüência do corpo humano. Tolerância á vibração no assento � Inputs de sinais senoidais são geralmente utilizados para verificar níveis de desconforto, o níveis de sensação equivalentes em função da freqüência. � Não existe ainda um consenso geral, para o julgamento de vibrações aceitáveis ao longo do percurso devido a variáveis tais como: 1. Posição sentado; 2. Influência do input de vibração nas mãos e nos pés; 3. Input único versus Input múltiplo; 4. Escala de conforto; 5. Duração da exposição; 6. Inputs de vibração sonoro e visual. Tolerância á vibração no assento � A despeito da controvérsia, alguns denominadores comuns podem ser verificados, resultados de pesquisas recentes. � Examinando a tolerância às vibrações para trás e para a frente em passageiros sentados, os pesquisadores em geral observam curvas de sensibilidade comparáveis. Tolerância Humana á vibrações verticais Tolerância Humana á vibrações verticais � Por causa da diferente interpretação de conforto em cada estudo, o nível nominal de uma curva não é comparável ao das outras, não tendo significado representativo. � No entanto, a maioria das curvas mostra uma tolerância mínima (máxima sensibilidade) do corpo humano à vibrações verticais na faixa de freqüência de 4 a 8 Hz. � Essa sensibilidade é reconhecida como resultado de ressonâncias na cavidade abdominal. � Em freqüências acima ou abaixo deste intervalo a tolerância cresce/decresce proporcionalmente à freqüência. Tolerância Humana á vibrações verticais � Algumas das formas das curvas limite, mais recentes, mostram pequenas inflecções no intervalo entre 10 e 20 Hz devido à ressonância nos órgãos, especialmente ressonância na cabeça próximo a 10 Hz. � Conforme indicado nas curvas ISO, a duração da exposição à vibração também afeta o limite máximo de tolerância. � Achados bastante interessantes foram obtidos pela NASA na pesquisa sobre conforto em veículos de transporte de massa, especialmente aviões. � As linhas de conforto para vibrações verticais é mostrada na figura. Tolerância Humana á vibrações verticais Tolerância Humana á vibrações verticais � O ponto significativo observado é que a sensibilidade como função da freqüência depende do nível de aceleração. � Para altos níveis de aceleração, as curvas de tolerância coincidem com as de outros estudos. Mas para níveis mais baixos a natureza horizontal das curvas implica que o desconforto é independente da freqüência. � Portanto, baixos níveis de vibração são igualmente questionáveis independentemente da sua freqüência ao longo do intervalo indicado. Tolerância Humana á vibrações � A sensibilidade humana à vibrações para frente e para trás é um pouco diferente daquela da vertical. � A figura seguinte mostra limites de tolerância para vibrações deste tipo determinados por diferentes fontes. � Novamente o valor nominal de cada curva não é especialmente significativo, mas sensibilidades similares são identificadas. � A diferença mais notável verificada é que a região de sensibilidade máxima ocorre no intervalo de 1 a 2 Hz. � Essa sensibilidade se reconhece como resultado da ressonância para frente e para trás da parte superior do tronco. Tolerância Humana ás vibrações para frente e para trás Resposta humana à vibração veicular � Baixas frequências Wn<0,5 Hz – provoca enjôos � Médias frequências: � 4<Wn<8Hz – Estômago � 20<Wn<25Hz – Cabeça e ombros � 30<Wn<80Hz – Globo Ocular � Altas frequências – modelo discreto Modelos discretos do corpo humano Rosen e Arcan (2003). Modelos discretos do corpo humano Kubo et al (2001). Modelos discretos do corpo humano � Há quatro fatores físicos que determinam a vibração no corpo humano que são: a intensidade, a freqüência, a direção e a duração. Em cada direção, a sensibilidade também varia com a freqüência. Logo, para quantificar a vibração pode-se utilizar parâmetros de deslocamento, velocidade e aceleração. � As normas ISO 2631/1 (1997) e ISO 2631/2 (1989) tratam dos níveis de vibração aceitáveis quanto à sensibilidade humana. Critérios de conforto de acordo com especificações de normas � A ISO 2631/1: 1997 faz referência aos efeitos da vibração sobre a saúde e o conforto, relacionando freqüências de vibração, amplitudes de aceleração e tempo de exposição, para vibrações nas direções ortogonais. � Já a ISO 2631/2: 1989 ao estudo dos limites de vibrações aceitáveis em construções. Critérios de conforto de acordo com especificações de normas Critérios de conforto de acordo com especificações de normas � Há três tipos de exposição humana à vibração conforme a norma ISO 2631/1: 1997: � 1. Vibrações transmitidas simultaneamente à superfície total do corpo e/ou a partes substanciais dele, e ocorre quando o corpo está imerso em um meio vibratório. � 2. Vibrações transmitidas ao corpo como um todo por meio de superfícies de sustentação, como os pés em uma pessoa em pé, região pélvica em um indivíduo sentado, ou a área de sustentação de uma pessoa recostada. Este tipo de vibração é comum em veículos, em edificações e nas proximidades de maquinário de trabalho. � 3. Vibrações aplicadas a partes específicas do corpo, como cabeça e membros. Exemplos destas vibrações ocorrem por meio de cabos, pedais ou suportes de cabeça, ou por grande variedade de ferramentas e instrumentos manuais. Critérios de conforto de acordo com especificações de normas � A norma ISO 2631/1: 1997 pode ser utilizada para avaliar vibrações gerada por veículos (ar, terra e água) e máquinas (da indústria e agricultura), onde pessoas estão expostas às vibrações mecânicas que podem interferir no conforto, nas atividades ocupacionais e na saúde humana. Critérios de conforto de acordo com especificações de normas � As principais definições desta norma estão relacionadas aos seguintes requerimentos gerais: 1. A vibração é medida de acordo com um sistema coordenado originado em um ponto em que ela está entrando no corpo; 2. Existem limites de exposição distintos para cada um dos eixos (x,y e z); 3. Os transdutores devem estar localizados para indicar a vibração na interface entre o corpo humano e a fonte de vibração, ou o mais próximo possível de tal ponto ou área; 4. O parâmetro para avaliação da magnitude da vibração é a aceleração, dada em termos da raiz da média quadrática – r.m.s. (“root mean square”). Critérios de conforto de acordo com especificações de normas � Para procurar caracterizar faixas de conforto humano, os limites de exposição são fornecidos para uso de acordo com três critérios, geralmente reconhecíveis como a preservação do conforto, eficiência de trabalho e segurança ou saúde. Critérios de conforto de acordo com especificações de normas � Os limites estabelecidos segundo tais critérios são denominados: 1. Limite do conforto reduzido - está relacionado com o nível de aceleração vertical a partir do qual as pessoas sentem-seincomodadas pela vibração, tendo mais dificuldades para executar tarefas que exigem certa concentração, tais como comer, ler e escrever; 2. Limite de queda de eficiência - estabelece o limite além do qual a exposição prolongada à vibração pode trazer um significativo risco de queda de eficiência na atividade desenvolvida pela pessoa exposta, assim como fadiga, quando tal exposição é demasiadamente prolongada. Esse limite é três vezes maior que o limite associado ao conforto reduzido; 3. Limite de tolerância - é o limite em termos de valores de máximos de aceleração que uma pessoa pode ficar exposta de modo seguro, para qualquer condição de freqüência, duração e direção, estimado em duas vezes superior ao limite de queda de eficiência. Critérios de conforto de acordo com especificações de normas � As figuras seguintes apresentam os limites de exposição recomendados pela ISO 2631/1: 1997 para o limite de queda de eficiência, especificado em termos de freqüência vibratória, magnitude de aceleração (r.m.s.), tempo de exposição e direção da vibração. Critérios de conforto de acordo com especificações de normas Vibração Longitudinal Critérios de conforto de acordo com especificações de normas Vibração Transversal Critérios de conforto de acordo com especificações de normas •A norma BS 6841: 1987 apresenta curvas que relacionam a aceleração e freqüência com escalas subjetivas: extremamente desconfortável, muito desconfortável, desconfortável, médio desconfortável, pouco desconfortável e não desconfortável. •As normas BS 6841 (1987) e ISO 2631-1 (1997) apresentam valores de aceleração r.m.s. ponderada a qual indica a reação dos indivíduos em relação ao conforto quando expostos a vibração. Critérios de conforto de acordo com especificações de normas Aceleração r.m.s Classificação < 0,315 m/s Confortável 0,63 m/s2 Um pouco desconfortável 1,6 m/s2 Desconfortável 2,5 m/s2 Muito desconfortável >2,0 m/s2 Extremamente desconfortável BS 6841 Tolerância Humana á vibrações � Deve-se notar ainda que comparando-se os limites para vibrações verticais com os limites para frente e para trás de cada pesquisador, verifica-se que as tolerâncias mínimas ocorrem para a direção para frente e para trás. � As curvas apresentadas provém, em geral, de inputs puramente senoidais, enquanto que o ambiente de percurso é sujeito a uma ampla faixa de freqüências. � Assim para aplicar essa informação objetivamente para medidas de vibrações de percurso no assento de um carro ou caminhão, é necessário primeiramente solucionar esta incompatibilidade. Tolerância Humana á vibrações � Um dos métodos comumente utilizados é filtrar os dados de aceleração de forma inversamente proporcional à amplitude da curva de tolerância selecionada. � A filtragem inversa então permite que o espectro de acelerações resultante seja visto como se todas as frequências fossem igualmente importantes. � Com este método as vibrações verticais e frente/trás devem ser avaliadas separadamente. � Para superar este problema, as acelerações ponderadas rms (root mean square) em cada direção são combinadas por diversas fórmulas para obter o valor da aceleração rms global. Tolerância Humana á vibrações � Um método para combinar vibrações verticais e frente/trás foi proposta por Lee & Pradko (1968). � O nível de desconforto foi relacionado ao nível de potência de vibração sendo dissipado pelo corpo do sujeito, ao invés de inputs verticais, laterais e frente/trás. � Com este método as curvas de tolerância podem ser usadas para ponderar as acelerações para alcançar uma potência absorvida em cada direção, e as quantidades de potência são simplesmente somadas. Tolerância Humana á vibrações � As curvas de tolerância ISO são as mais utilizadas funções de ponderação para identificar o significado de um espectro de aceleração. � As curvas de tolerância propostas na literatura são instrutivas para os engenheiros automotivos como um background na avaliação das vibrações impostas ao passageiro pelo assento. � No entanto, foi verificado por muitos engenheiros que a medida destas vibrações, inclusive ponderadas de acordo com as curvas de tolerância selecionadas, mostram ter pouca correlação com as avaliações subjetivas que serão obtidas por um júri em testes de estrada Tolerância Humana á vibrações � Ainda que funções de ponderação sejam utilizadas para ajustar a importância de determinadas freqüências de vibração, existem formatos nos quais o espectro de acelerações pode ser mais significativamente representado para análises de vibrações de percurso. � Na área de dinâmica é comum na prática representar-se informações no domínio da freqüência em gráficos dilog. � Neste formato a resposta modal de um sistema assintótico aproxima-se de linhas retas, e o comportamento de sistemas complexos, com múltiplos modos pode ser combinado. Tolerância Humana á vibrações Tolerância Humana á vibrações � No entanto para análises de percurso, este tipo de representação distorce a importância relativa das vibrações em várias freqüências. � Apresentar um espectro de aceleração em formato linear-linear é mais significativo já que a área sob o gráfico indica a aceleração rms, dependendo das unidades utilizadas no eixo das ordenadas (aceleração2/Hertz). Tolerância Humana á vibrações Tolerância Humana á vibrações � Ainda que um formato dilog forneça mais informações no entendimento da dinâmica do sistema, o formato linear-linear permite ao engenheiro enxergar a importância relativa das vibrações em qualquer faixa de frequência envolvida. � Representações dilog criam a impressão que as vibrações são igualmente importantes ao longo de todo o spectro. Referências � Gillespie T.D., Fundamentals of Vehicle Dynamics, SAE, 1992 � Bolina, C.C., Modelos Biodinâmicos, Relatório de exame de qualificação de doutorado, Universidade de Brasília, 2011.
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