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PNEUS E FREIOS Prof.: Lauro Cesar Nicolazzi CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO EM ENGENHARIA AUTOMOTIVA FIAT / UFSC Sumário 1 Pneus 1 1.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Partes constituintes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2.1 Carcaça . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2.2 Banda de rodagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3 Resistência ao rolamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3.1 Comentários iniciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3.2 Perdas no pneu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3.3 Perdas no solo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3.4 Perdas no contato pneu-solo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3.5 Coeficiente de resistência ao rolamento . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.4 Aderência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.5 Deriva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.5.1 Coeficiente de atrito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.5.2 Carga sobre a roda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.5.3 Pressão do pneu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.5.4 Relação altura/largura do pneu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.5.5 Tipos de construção do pneu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.5.6 Estado da banda de rodagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.5.7 Influência do camber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.6 Capacidade de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.6.1 Capacidade de carga de pneus de automóveis e caminhões . . . . . . 31 1.6.2 Pneus de veículos fora de estrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.6.3 Capacidade de carga de pneus agrícolas . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1.7 Designação de pneus de automóveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1.7.1 Tamanho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1.7.2 Séries de pneus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 1.7.3 Capacidade de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 1.7.4 Velocidade limite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 1 1.7.5 Tipo de carcaça . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 1.8 Designação de outros pneus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 1.8.1 Pneus de camionetas, caminhões e ônibus . . . . . . . . . . . . . . . . 40 1.8.2 Tratores agrícolas e industriais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 1.8.3 Pneus para veículos fora de estrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2 Mecânica da frenagem e freios 44 2.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.2 A importância dos freios para o setor automotivo . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.3 Sistema de freio: definições básicas e princípio de funcionamento . . . . . . . 46 2.4 Manutenção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.4.1 Manutenção corretiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.4.2 Manutenção preventiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.4.3 Manutenção preditiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.5 Carga nos eixos com o veículo em frenagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.5.1 Freios na dianteira . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.5.2 Freios na traseira . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.5.3 Freios nas quatro rodas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.6 Desaceleração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.6.1 Caso 1 - Freio na dianteira apenas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.6.2 Caso 2 - Freio na traseira apenas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.6.3 Caso 3 - Freio nas quatro rodas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.6.4 Parâmetros de frenagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.7 Desempenho de frenagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.8 Balanço de energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.8.1 Freiadas moderadas de longa duração . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.8.2 Freiada de emergência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.9 Tipos de freios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.10 Problemas com freios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 2.10.1 Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 2.10.2 Aquecimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 2.10.3 Ruído . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 2.10.4 Ecologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 2 Capítulo 1 Pneus 1.1 Introdução Nos primórdios da indústria automobilística, os pneus tinham seção quase circular, pois eram, praticamente, um tubo de borracha reforçada montada sobre a roda. Com o tempo, as exigências sobre os pneus aumentaram, devido às maiores potências e velocidades atingidas pelos veículos. Características como alta capacidade de carga, elevada estabilidade lateral quando sub- metidos a forças transversais, máxima aderência em pisos secos e molhados, conforto e dura- bilidade são requisitos importantes para um bom desempenho dos pneus. Os fabricantes procuram soluções de compromisso onde essas características são com- binadas de modo a satisfazer convenientemente as diferentes formas de utilização de seus produtos, porém a custas da redução do desempenho do pneu para cada tipo de pista. Os pneus com perfis mais baixos, por exemplo, permitem obter melhor performance em alta velocidade e maior capacidade de carga. Com flancos mais curtos, sua flexibilidade vertical e lateral fica reduzida impedindo que se deformem muito sob carga, o que é favorável para uma boa estabilidade direcional, principalmente em curvas feitas em alta velocidade. Essa menor flexibilidade, por outro lado, torna os pneus mais "duros", consequentemente menos confortáveis. Adicionalmente, como o pneu não se deforma tanto, a zona de contato fica mais curta, tornando mais crítico o desenho da banda de rodagem a fimde obter ranhuras que possam garantir, em situações de pista molhada, um escoamento adequado da água evitando a aquaplanagem. Para se ter um entendimento de como um pneu funciona, e conseqüentemente quantificar o seu desempenho, é necessário conhecer as suas características construtivas e os fenômenos associados ao seu funcionamento. 1.2 Partes constituintes Todos os pneus, que utilizam a pressão do ar armazenado no seu interior para suportar carga, são de constituição bastante semelhante, apresentando como elementos principais a carcaça, que forma a estrututa suportante do pneu, e a banda de rodagem, que entra em 1 Capítulo 1 - Pneus 2 Tubo de lona formador do pneu Eixo axial do pneu ϕ Setor do pneu Cordel ϕ Eixo axial do pneu Eixo axial do pneu ϕ ϕ Figura 1.1: Disposição dos cordéis da lona de uma carcaça de pneu diagonal. contato com o solo transmitindo esforços longitudinais de tração e frenagem e absorvendo esforços transversais ocasionados pela ação do vento ou por forças de inércia em curvas e pistas inclinadas lateralmente. 1.2.1 Carcaça A carcaça deve suportar, com pequenas deformações,a pressão do ar com que o pneu é inflado. Ela é formada por um conjunto de lonas impregnadas com borracha e vulcanizadas de forma a constituir uma única peça. As lonas são compostas por tecidos de cordéis de fibras de materiais tais como: rayon, kevlar, nylon, polyester, fibra-de-vidro e aço. No passado foram usadas fibras naturais, como algodão e linho. Em cada lona, os fios são paralelos, havendo aproximadamente um fio por milímetro. Antes de serem cortadas no tamanho adequado para a montagem da carcaça, as lonas são impregnadas com borracha, o que impede um contato direto entre elas quando da deformação do pneu e elimina o atrito entre os fios. Na montagem da carcaça, as lonas são cortadas e seus extremos são enlaçados e enrolados em torno de dois anéis de arame de aço, formando um cilindro, como mostrado na Figura 1.1. Montadas todas as lonas, os anéis são aproximados e ar sob pressão é injetado no cilindro, fazendo com que o conjunto de lonas adquira a forma toroidal, próxima a do pneu. Nesta etapa, é montada a banda de rodagem e o conjunto passa para a vulcanização. Dependendo do ângulo de inclinação dos cordéis das lonas, obtem-se pneus com car- acterísticas bastante distintas, tanto em conforto como em desempenho sob carga, já que esse ângulo afeta a altura do pneu e, consequentemente, a sua rigidez radial. O ângulo dos cordéis das lonas é medido a partir do plano médio do pneu e denotado pela letra grega ϕ, e é mostrado na Figura 1.1. Existem diversos tipos construtivos de pneus, dependendo de como é formada a carcaça. Capítulo 1 - Pneus 3 Figura 1.2: Disposição dos cordéis das lonas em pneus radiais a, diagonais b e diagonais cintados c. PLANO MÉDIO DO PNEU PLANO MÉDIO DO PNEU LONAS DA CARCAÇA LONAS DA CARCAÇA LONAS DA CINTA BANDA DE RODAGEMBANDA DE RODAGEM -a -b Figura 1.3: - Seções transversais dos pneus diagonal a e radial b. A divisão mais freqüente é a de pneus com estrutura radial, Figura 1.2 - a, e pneus com estrutura diagonal Figura 1.2 - b. Além destes dois tipos, existe o pneu diagonal cintado, que é mostrado na Figura 1.2-c, mas que está caindo em desuso. Na Figura 1.3 são mostradas as seções transversais dos pneus diagonal e radial. Nos pneus diagonais, a carcaça é formada por lonas cruzadas com igual ângulo, o qual influi na sua capacidade de carga e no seu limite de velocidade; como valores comumente encontrados tem-se: ϕ = 35o − 38o - pneus normais; ϕ = 30o − 34o - pneus para uso esportivo; ϕ < 26o - pneus de corrida. O valor do ângulo influi na forma da seção do pneu quando inflado, devido aos esforços de tração que atuam sobre os cordéis. Na Figura 1.4 é mostrada a variação da altura do pneu, para uma mesma largura do aro e diversos ângulos da disposição dos cordéis das lonas Capítulo 1 - Pneus 4 Metade da largura do pneu Altura do pneu H ϕ = 24 0 ϕ = 26 0 ϕ = 36 0 ϕ = 40 0 Figura 1.4: Altura do pneu em função do ângulo ϕ. da carcaça. Verifica-se, ainda nessa figura, que a altura do pneu também varia de acordo com o ângulo de inclinação dos cordéis das lonas da carcaça. Nos pneus radiais, Figuras 1.2-a e 1.3-b, a carcaça é formada por umas poucas lonas com ϕ variando entre 85o e 90o , ou seja, com os cordéis tendo uma orientação essencialmente radial. Acima dessas lonas radiais, aparece a cinta do pneu, constituída por um conjunto de lonas situadas exatamente sob a banda de rodagem, não se estendendo pelos flancos do pneu. A cinta funciona como um reforço para a banda de rodagem, tornando-a bem mais rígida tangencialmente mas com boa flexibilidade no sentido radial. Os cordéis da cinta formam um ângulo ϕ pequeno, em geral entre 0o e 30o . Esta maior rigidez lateral do pneu radial na zona de contato com o solo permite a absorção de grandes esforços laterais com deformações menores do que os diagonais, o que é importante na estabilidade direcional do veículo. Para não perder esta vantagem, os pneus radiais são construídos com seção baixa. A tendência dos fabricantes de adotar perfis mais baixos para todos os tipos de carcaça é justificada pelas seguintes vantagens: • melhor transmissão de forças de tração; • alta absorção de forças laterais; • baixa resistência ao rolamento e • maior capacidade de carga para igual volume de ar. Existem diferentes possibilidades de construção da cinta, dependendo do fabricante e do uso do pneu. Na tabela 1.1, são mostradas diversas composições de lonas utilizadas na construção de pneus radiais. Capítulo 1 - Pneus 5 Tabela 1.1: Tipos de carcaça para vários fabricantes de pneus. Fabricante e tipo Tamanho Lonas da Cinta Lonas da Carcaça Continental TS 771 165 SR 13 2 de rayon e 2 de aço 2 de rayon Dunlop SP Sport 165 HR-13 6 de rayon 2 de rayon Goodyear G800 165 SR-13 6 de rayon 2 de rayon Goodyear Polyester GT 6,60-15 2 de aço e 2 de polyester 2 de polyester Michelin XAS 165 HR-13 2 de aço 2 de rayon 2 de rayon Michelin XWX 215/70-VR-15 2 de de aço e 2 nylon 1 nylon Pirelli CF 67 165-SR 13 7 de rayon 2 de rayon Pirelli HS CN12 215/70-VR 15 2 de nylon e 5 de rayon 2 de rayon Firestone Steel Belt 175R-13 1 de rayon e 2 de aço 1 lona rayon Firestone Steel radial GR 70-15 2 de aço 2 de polyester 2 de polyester Zona de escorregamento Zona de contato Figura 1.5: Efeito da contração do pneu na região de atrito. Nos pneus, as lonas sofrem um leve deslocamento entre si durante o contato do pneu com o solo. Isto é resultado das distensões e contrações locais que elas sofrem para acomodar as distorções causadas pela mudança de forma do pneu ao entrar na zona de contato. Como conseqüência, a área de contato fica sensivelmente comprimida no seu ponto médio, reduzindo a área livre das ranhuras da banda de rodagem, como se pode observar na Figura 1.5. Estas deformações da banda ocasionam um movimento relativo entre a borracha e o piso, provocando um aquecimento adicional do pneu pelo atrito e, também, seu desgaste. No lado direito inferior desta mesma figura, pode-se observar uma região achurada conhecida como zona de escorregamento. Esta zona é a região do contato do pneu com o solo em que a borracha escorrega sobre o piso. O escorregamento da borracha desta zona causa o ruído característico de pneu cantando. Nos pneus com carcaça radial, este movimento é praticamente impossível, já que a cinta, na zona de contato com o solo, não permite deformações transversais apreciáveis. A quase ausência deste movimento relativo nos pneus radiais se traduz em menor desgaste, quando comparados com os diagonais. Quanto à transmissão de choques e vibrações do piso para o veículo, o pneu com carcaça Capítulo 1 - Pneus 6 0 40 80 120 160 1,0 1,1 1,2 pneu diagonal pneu radial [k m/h] N = KD RK Figura 1.6: Comportamento da rigidez do pneu com a velocidade, para carcaças diagonal e radial. radial é mais desconfortável do que o pneu diagonal, pela quase ausência do amortecimento interno originado pelo movimento relativo das lonas. Isso é verdadeiro para velocidades até cerca de cem quilômetros horários. A partir dessa velocidade, a situação se altera e o pneu radial torna-se mais confortável do que aquele com construção diagonal. Essa diferença de comportamento está ligada ao efeito da força centrípeta sobre o pneu em altas velocidades. No pneu diagonal, a estrutura da carcaça permite que ocorra um aumento do diâmetro pela ação da força centrífuga que, em um determinado tipo de pneu, chega a ser da ordem de quatro por cento a cerca de cento quarenta e cinco quilômetros por hora para alguns tipos de pneus. Com o aumento do diâmetro, as lonas nos flancos do pneu assumem uma posição mais íngreme, reduzindo sua flexibilidade radial e ocasionando um rolamento mais duro e, portanto, menos confortável. Com os radiais têxteis ocorre, também, umaumento da rigidez com a velocidade, embora bem menor do que o verificado nos diagonais. Os pneus radiais metálicos são quase insensíveis à velocidade. A presença da cinta metálica impede, quase que totalmente, o aumento do diâmetro e a sua rigidez radial não é significativamente afetada pela velocidade. Na Figura 1.6 é apresentada uma comparação qualitativa da rigidez de pneus diagonais e radiais em função da velocidade de deslocamento do veículo. A seguir, são apresentadas vantagens e desvantagens dos pneus radiais em relação aos diagonais. Vantagens: 1. Maior durabilidade; Capítulo 1 - Pneus 7 2. Menor resistência ao rolamento; 3. Maior conforto em altas velocidades; 4. Melhor absorção de forças laterais; 5. Maior estabilidade direcional e 6. Menor sensibilidade à aquaplanagem. Desvantagens: 1. Menos confortável em baixas velocidade e 2. Maior custo. 1.2.2 Banda de rodagem Toda transmissão de forças do pneu para o solo, sejam longitudinais ou transversais, é feita pelo atrito existente na zona de contato da banda de rodagem com o solo. Procura-se obter o máximo possível de aderência nas mais diversas condições de piso, seja ele de asfalto, concreto, pedra, terra, limpo ou contaminado, seco ou molhado. Essa aderência depende do composto do pneu e do tipo de pista, sendo a influência destes elementos na aderência discutidos a seguir. O comportamento da banda de rodagem depende do composto da borracha utilizada e do desenho das ranhuras, já que ambos afetam a aderência no piso. Em pista seca, o máximo de aderência é obtido com um pneu totalmente liso, visto que este coloca em contato com o solo o máximo possível de borracha. A menor presença de água, porém, torna esse pneu extremamente perigoso, conforme pode ser visto na Figura 1.7. Nela é apresentado o comportamento do coeficiente de atrito em função da velocidade de deslocamento e do estado da pista, para um pneu liso, sem ranhuras, e outro com 100% das ranhuras intactas; uma situação intermediária é mostrada no caso 4, onde os sulcos da banda têm apenas quatro milímetros de profundidade.. Com chuva e em piso liso, o desenho da banda de rodagem do pneu é vital, pois somente através das suas ranhuras é possível escoar a água existente sobre o piso de forma a permitir o contato pneu/pista. Em piso rugoso, algum efeito de auto drenagem se verifica e a banda de rodagem não precisa ser tão eficiente no escoamento da água. De um modo geral, o desenho da banda de rodagem deve possibilitar duas funções: a primeira é propiciar uma drenagem adequada e a segunda uma pega na superfície do piso, principalmente com pisos irregulares. Quanto à pega do pneu, a banda de rodagem deve possuir uma quantidade de arestas razoavelmente bem definidas de modo a se amoldar nas irregularidades do piso e prover um meio mecânico para transmissão de força, adicional- mente às forças de atrito. Estas bordas devem ser transversais para uma carga de tração e frenagem e longitudinais para curvas. Como muitas manobras são efetuadas tanto acelerando como freando em curvas, são adotadas ranhuras diagonais que melhor absorvem os esforços resultantes. Capítulo 1 - Pneus 8 [k m/h]0 20 40 60 80 100 120 140 v 1 2 3 5 4 Pista seca Pista molhada 1 - pneu liso 2 - pneu novo (8mm de ranhura) 3 - pneu novo (8mm de ranhura) 4 - pneu com 2mm de ranhura 5 - pneu liso µ 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Figura 1.7: Coeficiente de atrito em função da velocidade, para diferentes estados da pista e da banda de rodagem. Quando a pista está molhada, é necessário drenar o filme de água existente entre a borracha e a pista, de forma que se consiga contato. A drenagem da água é feita tanto por ranhuras longitudinais como transversais; na região mais central do contato, entretanto, a água só pode ser eficientemente drenada por ranhuras longitudinais. As ranhuras devem permitir um fluxo de água o mais livre possível, pois o tempo disponível para evacuá-la é muito pequeno. Na Figura 1.17 é mostrada a influência da água no contato pneu/pista. Se o volume de água a ser drenado for maior do que aquele que o pneu pode drenar, ocorre a aquaplanagem, que é o efeito de flutuação do pneu sobre o filme de água residual que as ranhuras não conseguem drenar. Sua ocorrência depende da velocidade de deslocamento do veículo, do tipo de carcaça usado e do desenho da banda de rodagem. De forma geral, pode-se afirmar que, para o mesmo filme de água, os pneus com carcaça diagonal estão sujeitos a aquaplanagem em velocidades mais baixas do que os radiais, devido à contração da banda de rodagem no local de contato pista/pneu (ver Figura 1.5). Relativamente ao desenho da banda, há uma série de fatores conflitantes para se chegar à melhor configuração, como ruído, absorção de cargas de frenagem e aceleração e boa drenagem da água. Hoje em dia, os fabricantes de pneus desenvolverammodelos matemáticos com solução numérica, de forma que, com o auxílio de computadores, conseguem chegar ao desenho que melhor satisfaça estes quesitos conflitantes. O resultado desse trabalho pode ser observado nos pneus disponíveis no mercado, com "biscoitos"assimétricos distribuídos de forma aparentemente aleatória. Capítulo 1 - Pneus 9 F δδ carga descarga F δδ Figura 1.8: Ensaio de compressão em um pneu. 1.3 Resistência ao rolamento 1.3.1 Comentários iniciais Para manter um pneu girando sobre o solo, é necessário dispender uma certa quantidade de energia, consumida pelos diversos tipos de perdas que ocorrem. Estas perdas dão origem à resistência ao rolamento do pneu e são provenientes principalmente de duas fontes dissi- padoras. Uma é o próprio pneu e a outra é o solo onde o veículo trafega. Fica mais claro o estudo da resistência ao rolamento quando se considera separadamente as influências do pneu e do solo. 1.3.2 Perdas no pneu Quando um pneu está rodando sobre um solo idealmente rígido, a totalidade das perdas ocorrem no pneu. Para entender o porque destas perdas e como afetam a resistência ao rolamento, faz-se um teste estático de compressão em um pneu, medindo-se a força aplicada e a deformação radial. Traçando-se as curvas de carga e descarga, tem-se algo parecido ao ilustrado na Figura 1.8. Como o pneu não é perfeitamente elástico, apresenta um amortecimento interno e apenas parte do trabalho é recuperado ao ser descarregado. O atrito interno é provocado pela deformação do pneu na zona de contato. Esta deformação faz com que as lonas da carcaça movam-se entre si e este movimento, embora pequeno, solicita, por cisalhamento, a borracha que separa as lonas consumindo energia. A banda de rodagem também é deformada e, ficando sujeita a solicitações mecânicas, contribui com uma parcela do consumo de energia. Assim, as curvas de carga e descarga formam um laço de histerese e a área contida neste laço representa a energia consumida no ciclo e corresponde ao trabalho dissipado pelo atrito interno na forma de calor. A forma do laço de histerese, ou seja a área englobada pelo laço, depende do tipo de carcaça usada e do composto da borracha da banda. Como exemplo, em competições automobilísticas é comum o uso de pneus com banda de rodagem de alta histerese. Este tipo de composto permite que o pneu tenha grande aderência, porém, devido à grande geração de calor, o seu desgaste é elevadíssimo. Capítulo 1 - Pneus 10 R Fr s L Z ra cc R Frrg Uma provável distribuição de tensões de contato Sulco do pneu no solo a- b- Fr R Figura 1.9: Modelo de interação pneu pista. 1.3.3 Perdas no solo Considerando, agora, o pneu rígido e o solo deformável, todas as perdas que levam a um consumo de energia ocorrem no solo. Em seu movimento o pneu deixa um sulco no terreno deformável, conforme mostrado na Figura 1.9. Para manter esse movimento, é necessário que atue na roda uma forçade mesmo sentido e que compense a resistência ao avanço R que o solo impõe. Na mesma figura, observa-se que a carga Fr suportada pela roda fica equilibrada pela reação do solo, mas essas forças não são colineares, ou seja, existe um momento resistente Fr. s que deve ser equilibrado para manutenção do movimento do pneu. O momento necessário para esse equilíbrio deve ser aplicado no eixo da roda e tem como valor o produto da resistência ao avanço R e o raio da roda ra. Do equilíbrio de momento em relação ao ponto C, tem-se: Fr = R ra s (1.1) e, como valor da resistência ao avanço, ou parcela da resistência ao rolamento devido à deformação do solo: R = Fr s ra (1.2) Pela observação da equação acima, pode-se dizer que quanto maior for a profundidade do sulco maior será o valor de ”s” e, conseqüentemente, maior a resistência ao rolamento do veículo oferecida pela deformação do solo. 1.3.4 Perdas no contato pneu-solo Outra causa da resistência ao rolamento é o escorregamento que ocorre na superfície de contato do pneu com o solo. A Figura 1.10 ilustra a deformação na periferia do pneu ao entrar na zona de contato. O arco ”B” deve assumir um tamanho menor, o da corda ”C”, causando um escorregamento tangencial e originando forças de compressão nos dois bordos que limitam longitudinalmente a zona de contato. Pelo efeito do atrito entre a borracha da banda de rodagem e o solo, este escorregamento consome energia. Capítulo 1 - Pneus 11 Arco B do pneu indeformado Corda C Solo Solo Corda C Arco B do pneu indeformado Figura 1.10: Perdas por retificação do arco. Na seção transversal, se a banda for curva como mostrado no corte da Figura 1.10, ocorre o mesmo efeito, com um escorregamento na direção transversal e compressão das bordas laterais da banda de rodagem na zona de contato. Para uma banda de rodagem cilíndrica, o que implica numa região de contato com o solo aproximadamente retangular, o escorregamento transversal é quase nulo. Para pneus de construção radial, a presença da cinta estabiliza a banda de rodagem e reduz grande parte deste efeito de deformação da banda, diminuindo o escorregamento e a perda de energia. 1.3.5 Coeficiente de resistência ao rolamento A resistência ao rolamento quando se consideram todos os efeitos mencionados ante- riormente, ou seja, a força que deve ser fornecida para manter o movimento é proporcional à carga normal que age sobre a roda. Esta proporcionalidade pode ser expressa de forma empírica como: Qr = f G (1.3) onde: Qr - resistência ao rolamento [N ] f - coeficiente de resistência ao rolamento G - força normal da roda sobre o solo [N ] Verifica-se experimentalmente que o coeficiente de resistência ao rolamento varia com a velocidade, pressão de enchimento, carga radial, tipo de pneu e de solo, temperatura e outras variáveis de menor importância. Sem considerar todos esses efeitos, na tabela 1.2, conforme referência [2], é dada uma orientação geral do coeficiente de resistência ao rolamento para vários tipos de terreno. Pode-se observar que os primeiros cinco tipos de solo são praticamente rígidos, enquanto que os outros são deformáveis. Capítulo 1 - Pneus 12 Tabela 1.2: Coeficientes de atrito de rolamento. Tipo de solo f Asfalto liso 0, 010 Asfalto rugoso 0, 011 Cimento rugoso 0, 014 Paralelepípedo 0, 020 Pedras irregulares 0, 032 Pedra britada compacta 0, 045 Pedra britada solta 0, 080 Terra batida 0, 060 Areia solta 0, 100 ∼ 0, 300 Grama 0.045 ∼ 0.100 Barro 0, 100 ∼ 0, 400 Neve profunda 0, 075 ∼ 0, 300 Tabela 1.3: Coeficientes a e b em função do tipo de pneu. a b Pneus normais 0, 0150 0, 052 Pneus de alta histerese 0, 0258 0, 052 Na Figura 1.10 é mostrada a influência do solo, ou seja, da profundidade do sulco, no valor do coeficiente de resistência ao rolamento (os parâmetros são mostrados na Figura 1.9). Em ensaios, [2], verifica-se que a resistência ao rolamento do pneu cresce com a velocidade, como mostrado na Figura 1.12 para diferentes pressões de enchimento do pneu. . Nesta figura se pode observar que, a partir de uma dada velocidade, as curvas se inclinam acentuadamente, aumentando ”f”. Isto se deve à formação de ondas na banda de rodagem ocasionadas pela ressonância. Nesta situação, ”f”, bem como o nível de vibração e ruído, crescem bruscamente. Se o efeito permanecer, o pneu fica em pouco tempo destruído. O modo de deformação do pneu durante a ressonância está mostrado na Figura 1.13. Para pneus de série em condições normais de uso, uma orientação para o coeficiente de resistência ao rolamento, considerando o efeito velocidade, é dada por: f = a+ b( v 100 )2 (1.4) As constantes a e b são dadas na tabela 1.3, sendo v em [m/s]. Outra orientação para o coeficiente de resistência ao rolamento é fornecida em Reimpell [2]. Aqui é considerada a influência do tipo de pneu, da carga que age sobre ele, da pressão de enchimento e da velocidade do veículo. Wiegner, [2], propôs o que chamou de coeficiente de resistência ao rolamento de referência ”fo”, válido para determinados valores, também de referência, de carga normal e de pressão: Capítulo 1 - Pneus 13 0,1 0,2 0,3 0,4 0 0 , , 0 0 0 0 0, , ,2 3 4 Z/rIg f (Qr) Fr s L = 0,1 s L = 0,2 s L = 0,3 s L = 0,4 s L = 0,5 Figura 1.11: Comportamento de f em função da profundidade do sulco. 0,0150 0,0175 0,0200 0 20 40 60 80 100 k / h f 1,8 atm 1,4 1,2 1,0 atm atm atm v [ ] Figura 1.12: Variação do coeficiente de atrito de rolamento com a pressão, para um pneu diagonal. Capítulo 1 - Pneus 14 Figura 1.13: Ressonância do pneu devido ao rolamento em alta velocidade. fo = ao + a1v + a2v2 (1.5) onde: v = velocidade do veículo em m/s ao , a1 e a2 são dados na tabela 1.4. Quando a carga radial que atua no pneu, ou sua pressão, for diferente do valor de refer- ência apresentado na tabela 1.4, o coeficiente de resistência ao rolamento, para a condição real, deve ser corrigido pelas expressões: - Pneu Diagonal ou Radial Textil f = fo(1, 5− 0, 5 Fro Fr ) (1.6) f = fo(1, 5− 0, 5 p po ) (1.7) - Pneu Radial Metálico f = fo(1, 3− 0, 3 Fro Fr ) (1.8) f = fo(1, 3− 0, 3 p po ) (1.9) Capítulo 1 - Pneus 15 Tabela 1.4: Valores das constantes ao , a1 e a2. Pneu Tipo de pneu Carga Fro [kN] Pressão po [atm] ao 102 a1 105 a2 106 155-15 X Radial - Fios de aço 4,0 1,65 1,330 -10,32 2,337 155 - SR -15 Radial - Fios testeis 4,0 1,90 1,385 - 4,369 2,181 6.45/165-14 Diagonal super baixo 4,0 1,70 1,612 -3,533 3,009 6.00/15L Daigonal perfil baixo 3,9 1,70 1,611 -3,601 3,778 5.60/15 Diagonal super balão 3,7 1,70 1,837 -6,741 3,830 Fonte : Reimp ell, pp . 194-196, ATZ 75, 1973, N- 11 , pp. 407-409 ( W iegner-Peter). Exemplo: Qual o valor do coeficiente de resistência ao rolamento para um pneu 155 SR 15 submetido a uma carga radial de 4 kN e com uma pressão de 2, 2 atm? Nessas condições, o coeficiente de resistência ao rolamento deve ser corrigido quanto à pressão, pois esta é diferente da pressão de referência. Na velocidade de 100 km/h, ou seja 27, 77 m/s, o valor de fo será: fo = 0, 0143 e o valor do coeficiente de resistência ao rolamento, para a pressão de operação de 2, 2 atm, é: f = 0, 0143(0, 921) = 0, 0132 Se a carga radial é diferente da de referência, o valor de "f"deve ser novamente corrigido pela expressão 1.6. 1.4 Aderência A possibilidade de transmissão de esforços entre o pneu e a pista, esforços esses que ocorrem durante os processos de frenagem e aceleração ou quando da absorção de forças laterais, como a força centrípeta em curvas, depende do atrito disponível no contato, também chamado aderência entre pneu e pista. A aderência pode ser atribuída, principalmente, a duas diferentes formas de interação entre a borrachae o piso: adesão molecular, que depende dos materiais em contato, e deformação da borracha em contato com as irregularidades do solo, que propicia uma in- terpenetração entre ambas, ou endentamento da borracha com o piso, e uma conseqüente transmissão por forma. A resistência da borracha à ruptura, bem como a sua resistência à abrasão, são fatores limitantes da aderência. O efeito limitante da aderência por estes dois últimos fatores, em determinadas situações, define a aderência do pneu, visto que a região da banda de rodagem que mantem contato com o solo pode ser arrancada quando solicitada. Para que um pneu possa transmitir uma força longitudinal através da superfície de con- tato com a pista, como uma força de tração, é necessário que ocorra um certo movimento Capítulo 1 - Pneus 16 relativo entre pneu e pista; a velocidade tangencial do pneu tracionante é maior que a ve- locidade do próprio veículo. É exatamente devido a esses movimentos relativos, bem como a deformação da sua estrutura, que os pneus flexíveis conseguem transferir cargas muito maiores ao solo que os pneus rígidos ou maciços. Os pneus, devido a sua flexibilidade e ao mecanismo de aderência, escorregam em relação ao solo quando na transmissão de força para a pista. O escorregamento é definido como segue: Na tração e = vt − v vt (1.10) Na frenagem e = v − vt v (1.11) onde: e - Escorregamento; v - Velocidade de translação do veículo vt - Velocidade tangencial da roda. Em termos de espaço percorrido pela periferia do pneu st e pelo veículo sr, tem-se o escorregamento na tração, em percentagem, dado por: e = µ 1− sr st ¶ 100(%) onde: sr - Comprimento de arco do pneu; st - Distância percorrida pelo veículo. A regra geral é que quanto maior a força a ser transmitida, ou quanto mais irregular ou molhada a pista, tanto maior o escorregamento. No desenvolvimento que segue, estes aspectos são tratados de maneira mais detalhada. Na Figura 1.14, [2], é ilustrado um comportamento característico do coeficiente de atrito pneu/pista em função do escorregamento. O máximo valor do coeficiente de atrito, em pista seca, ocorre para escorregamento variando entre 11 e 20%, dependendo do tipo de pneu utilizado. Esse valor máximo é de- nominado coeficiente de aderência, e é denotado por µa . Dele decorre o máximo valor da força de tração e de frenagem possível de transmitir nos eixos do veículo, dadas respectiva- mente por: FmI = µa (RI −∆G) (1.12) FmII = µa (RII +∆G) (1.13) e FfI = µa (RI +∆G) (1.14) FfII = µa (RII −∆G) (1.15) Capítulo 1 - Pneus 17 0, 200 40 60 80 100 e (%) µ µa µ e µa µe - Coeficiente de aderência - Coeficiente de escorregamento Figura 1.14: Variação do coeficiente de atrito com o escorregamento. onde ∆G representa a transferência de carga entre os eixos durante a aceleração ou a fre- nagem (conforme visto no curso Análise Dinâmica). Uma maior aceleração ou frenagem ocasiona um maior escorregamento, com diminuição do coeficiente de atrito e da capacidade de transmissão de força. Com 100% de escorrega- mento, o que ocorre durante a frenagem com rodas bloqueadas ou aceleração com rodas deslizando e veículo parado, o valor do coeficiente de atrito é denominado coeficiente de escorregamento e denotado por µe. De maneira geral, o valor de µe é 15 a 30% menor do que µa, dependendo das condições da pista. Vários fatores influem no valor do coeficiente de atrito entre pneu e pista. Dentre eles, os principais são: estado da pista, tipo de pneu, velocidade do veículo e estado da banda de rodagem. Na Figura 1.15 se mostra a variação do coeficiente de aderência em função do escorrega- mento, para diferentes tipos de pista e considerando um determinado tipo de pneu. Nesta figura é apresentado o coeficiente de aderência µa em função do escorregamento para diferentes tipos de pista e pneu com relaçãoH/B ≥ 0, 82, com 80 a 90% da profundidade dos sulcos e velocidade aproximada de 60 km/h. O coeficiente de atrito pneu/pista é, também, dependente da velocidade do veículo. Na Figura 1.16 se mostra a variação do coeficiente de escorregamento com a velocidade, em diferentes pistas. Segundo Reimpell, [2], os ensaios foram feitos com um pneu diagonal, com profundidade dos sulcos entre 80 e 90%. A temperatura do gelo era, aproximadamente, 0◦. Na Figura 1.16, observa-se que, em pista seca e velocidades baixas, o coeficiente de escorregamento µe, pode chegar a 1, 25. Esse valor pode ser explicado pela redução, nessas velocidades, do raio do pneu, que passa do dinâmico para o estático, com uma conseqüente maior superfície de contato e, portanto, uma maior área onde o endentamento comentado anteriormente ocorre. O estado da banda de rodagem afeta significativamente o coeficiente de atrito pneu/pista. Ainda na Figura 1.7, pode ser verificado que, em pista seca, um pneu liso apresenta um maior coeficiente de escorregamento do que um pneu com sulcos profundos. Em pista molhada, entretanto, ocorre o contrário. Essa situação ocorre porque com pista seca e pneu liso, ou Capítulo 1 - Pneus 18 Asfalto seco Concreto seco Asfalto molhado Neve Gelo 0 20 40 60 80 100 e [%] 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 µ Figura 1.15: Coeficientes de aderência para pneus em alguns tipos de pista em variadas condições. Molhado Neve Gelo 0 20 40 60 80 100 120 140 v[km/h] 1,0 1,2 1,4 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 µ Figura 1.16: Coeficiente de escorregamento para um pneu bloqueado em diversas condições da pista. Capítulo 1 - Pneus 19 N NN Região de contato Piso Filme de água Filme de água Nenhum contato com o solo v [km/h]20 80 120 µ 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 Aquaplanagem Pneus com sulcos Cunha de água Pneus com sulcos Pneu sem sulcos (careca) Figura 1.17: Comportamento de um pneu sem perfil, em diferentes velocidades, em uma pista com uma lamina de água. "careca", a área para transmissão por forma é maior, enquanto que, com pista molhada, facilmente ocorreria aquaplanagem, com perda de contato pneu/pista. Pneus com sulcos, neste caso, drenam a água permitindo que o contato seja mantido. Na Figura 1.17, divulgada pela Dunlop, é mostrado o surgimento da aquaplanagem em um pneu sem perfil, bem como o comportamento da aderência com presença da água em função da velocidade. Nesta figura, o coeficiente de aderência para, aproximadamente, 100km/h é de somente µa = 0, 1, o que praticamente impossibilita a transmissão de força entre pneu e pista. Se fosse necessário frear, o veículo continuaria se deslocando com a velocidade quase inalterada; forças laterais não seriam absorvidas pelos pneus e qualquer tentativa de mudança de direção, através do volante, seria infrutífera. Vale salientar que, observando o comportamento do coeficiente de atrito, mesmo para pneus com sulcos, existe uma velocidade no qual ocorrerá a aquaplanagem, ou seja, o fenômeno da hidroplanagem sempre irá ocorrer, só depende da velocidade. Na Figura 1.18, [2], é mostrado o comportamento do coeficiente de aderência imediata- mente após o início de uma chuva. A queda abrupta desse coeficiente se deve à mistura da água com a poeira, ou outro contaminante qualquer existente sobre a pista, ocasionando uma ação lubrificante. Em seguida, a água da chuva lava essa mistura e o coeficiente de aderência volta a crescer. Finalmente, na tabela 1.5 estão indicados valores esperados para o coeficiente de aderência para pisos distintos bem como para diferentes condições destes pisos. Capítulo 1 - Pneus 20 0 1 2 3 4 t [mim] µ 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Início da chuva Transição Úmida SecaSeca Figura 1.18: Variação do coeficiente de aderência com o tempo durante uma chuva fraca. Tabela 1.5: Coeficientes de atrito para automóveis em váriostipos de pista. Tipo de pista µa Asfalto 0, 6 a 0, 95 Pedra britada 0, 5 a 0, 65 Terra seca 0, 5 a 0, 70 Terra úmida 0, 5 a 0, 60 Areia 0, 2 a 0, 3 Neve 0, 30 a 0, 35 Tabela 1.6: Coeficientes de atrito para pistas em diversos estados. Coeficientes de atrito µa para as condições Tipo de piso Seca Molhada Contaminada Congelada Cimento 0, 85 0, 75 0, 50 0, 11 Asfalto 0, 85 0, 60 0, 30 0, 10 Paralelepípedos 0, 70 0, 65 0, 35 0, 08 Calçamento de pedras irregulares 0, 80 0, 55 0, 30 0, 08 Capítulo 1 - Pneus 21 Em um solo rígido, como concreto ou asfalto, todo o escorregamento é devido à defor- mação do pneu; em solos pouco rígidos, sua deformação é preponderante e a interpenetração entre o pneu e a pista é decisiva para a tração. Quando da transmissão de força para o piso, a parte do solo situada dentro dos sulcos do pneu escorrega em relação ao restante do solo e a aderência fica limitada, praticamente, pela resistência ao cisalhamento do solo. Neste caso, o pneu deve possuir uma banda de rodagem com desenhos de sulcos profundos para poder utilizar a máxima capacidade de tração disponível. 1.5 Deriva As forças laterais, bem como seus momentos, sejam elas devidas à ação do vento ou forças de inércia que ocorrem em curvas ou inclinações da pista, não teriam influência alguma no movimento de um veículo dotado de pneus lateralmente rígidos, desde que o valor destas forças não ultrapassasse o limite imposto pelo atrito, quando, então, haveria o escorrega- mento total na direção da resultante. Os pneus, porém, são corpos elásticos, que se deformam quando submetidos a forças laterais, e seu comportamento sob a ação dessas forças não é o mesmo que o de corpos rígidos nas mesmas condições de carregamento. Quando o veículo está parado, a região de contato do pneu com o solo é aproximadamente retangular. Com a roda do veículo girando, uma dada superfície de referência marcada no pneu, com a forma da superfície de contato pneu/pista, sofre um deslocamento ao penetrar na zona de contato devido à deformação ocasionada pela força lateral ”S”, como está mostrado na Figura 1.19. No contato, a superfície de referência fica deformada, mostrada em tom cinza na figura, e a roda se desloca com um ângulo α em relação à direção primitiva, como mostrado na figura. Ainda nesta mesma figura é mostrada a vista de topo de um pneu deformado pelo peso próprio com e sem a ação de uma carga transversal. O ângulo formado pelo plano médio do pneu e a direção de deslocamento do pneu seguida após a aplicação da força ”S”, é denominado ângulo de deriva sendo, grafado pela letra grega α. Um pneu que rola sobre uma pista, portanto, somente pode suportar uma força lateral se seu plano médio se deslocar com um determinado ângulo em relação à direção do movimento. Quanto maior o valor dessa força perturbadora, tanto maior o ângulo de deriva, ou seja, existe uma relação direta entre força e ângulo. A força externa é equilibrada por uma força de atrito S, igual e contrária, que surge na superfície de contato pneu-pista. Como se mostra na Figura 1.20, a distribuição de pressão normal à pista não é uniforme na zona de contato e, pela ação da força lateral, ocorrem escorregamentos nos pontos onde essa pressão é baixa. Nesta figura, a área da distribuição de reações é subdividida nas Zonas I e II. Na Zona I o pneu tem aderência elevada com o solo e não escorrega significativamente, enquanto que a Zona II é a região onde acontece o escorregamento. Como a distribuição das reações à força lateral é não uniforme, o ponto de atuação da resultante dessas se situa atrás do centro de contato do pneu com a roda no solo, criando um momento que levará a roda a se alinhar com direção real do deslocamento (trajetória final do deslocamento). Este momento é denominado de Capítulo 1 - Pneus 22 SDireção primitiva do deslocamento Direção instantânea do deslocamento S αα Formas deformadas um pneu sem e com carga transversal aplicada Eixo de rotação da roda S Ângulo de deriva Figura 1.19: Deriva de um pneu. torque de auto alinhamento do pneu. Como pode ser observado na Figura 1.20, a distância t entre o ponto de aplicação da resultante da distribuição de reação no solo, C, e o centro teórico do contato pneu solo, H, é o braço de alavanca do momento de auto alinhamentoMt. Esta distância está associada com a zona de escorregamento mostrada na Figura 1.5. Quanto maior esta zona de escorregamento menor é a distância t e maior é o ângulo de deriva. Isto significa que a medida que se aproxima do limite de aderência do pneu o torque de auto alinhamento se reduz, podendo até a mudar de sentido. A situação limite, onde o momento muda de sentido, é raramente atingida pelos condutores normais de automóveis porém, em competições, é praticado de maneira bastante intensa, já que o ângulo de deriva pode atingindo valores bastante grandes exige uma forma de condução altamente especializada e arriscada. Na figura 1.21 é mostrado, para um tipo de pneu (Taborek [3]), o comportamento da força de atrito em função do momento de auto alinhamento. É interessante observar que a força de atrito aumenta continuamente até a de limite de aderência imposta pelo coeficiente de atrito de escorregamento, enquanto que o momento de auto alinhamento aumenta até um valor máximo e, em seguida, se reduz e atinge valores negativos perto do limite de aderência do pneu. Isto se deve a alteração da distância t mostrada na Figura 1.20. A reação lateral do pneu depende de uma série de variáveis que devem ser analisadas para prosseguir no estudo da deriva, como será feito nos itens que seguem. Capítulo 1 - Pneus 23 Distribuição de reações Forma do contato Distribuição de pressão Plano médio da roda Solo α Trajetória final da roda Zona I Zona II Eixo de rotação da roda Eixo de rotação da roda F t C HM t y z x P S y x x Figura 1.20: Distribuição de pressão na região de contato pneu/solo. Capítulo 1 - Pneus 24 Condutor especializado Pilotagem Condutor normal Torque de auto alinhamento [N m] Limite de aderência Força de atrito [N] α = 5o α = 12o -120 - 80 - 40 0 40 0 100 200 300 Figura 1.21: Comportamento da força de atrito em curva com o momento de auto ali- nhamento do pneu. 1.5.1 Coeficiente de atrito O estado da pista de rolamento influi no valor da força lateral que pode ser absorvida pelo pneu. Na Figura 1.22 se mostram as curvas do coeficiente de atrito lateral ³ µs = S Q ´ em função do ângulo de deriva, para um pneu diagonal com noventa por cento de profundidade do perfil. Verifica-se que, com asfalto liso, dificilmente se consegue µs > 0, 8, mesmo com deriva elevada. Já com asfalto rugoso pode-se obter µs > 1 com maiores ângulos de deriva. No caso de pista molhada, o coeficiente de atrito depende da espessura do filme de água, conforme é mostrado na Figura 1.23; observa-se que o máximo valor de µs já é atingido com α ' 8◦. 1.5.2 Carga sobre a roda No estudo dos pneus submetidos a forças laterais, são usados dois tipos de diagramas, como mostrado na Figura 1.24. O primeiro é a representação gráfica de S = f(Q), com o ângulo de deriva como parâmetro, e o segundo a representação de S = f(α), com a carga normal como parâmetro. O primeiro é mais usado no estudo do comportamento dos pneus. Na figura S = f(α), observa-se que para pequenos valores de α a variação de ”S” é praticamente linear. Nesta zona não ocorre, praticamente, escorregamento na superfície de contato. Com o aumento da força lateral, mantendo a mesma carga normal sobre o pneu, aumenta a zona de escorregamento resultando numa maior curvatura no gráfico, até que a curva passa a ser horizontal. A este valor máximo de ”S” corresponde o valor do coeficientede aderência lateral. Capítulo 1 - Pneus 25 5º 10º 15º 20º 35º 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1 2 3 4 1 - com gelo 2 - com neve 3 - asfalto liso 4 - asfalto rugoso µs α 0.0 0 Figura 1.22: Variação do coeficiente de atrito com ângulo de deriva. 0 2º 4º 6º 8º 0.2 0.4 0.6 0.8 pis ta seca h = 0,5mm h = 1,0mm h = 1,5mm h = 2,0mm h - es pessura do filme d'água α µ s Figura 1.23: Variação do coeficiente de atrito, com o ângulo de deriva, para pista úmida. 1000 2000 3000 4000 1000 2000 S [N] 00 1000 2000 S [N] 2º 4º 6º 8º Q = 1000N Q = 2000N Q = 3000N Q = 4000N Q = 5000N Q [N] α α α α α= = = =2º 4º 6º 8ºα=10º Figura 1.24: Diagramas de comportamento dos pneus em termos de Q, S e α. Capítulo 1 - Pneus 26 α ∆Q ∆Q ∆S1 ∆S2 = cte S Q Q S Figura 1.25: Variação de S em função de Q para um mesmo ângulo de deriva. Em um veículo se deslocando em linha reta e sob a ação de cargas transversais, o ângulo de deriva pode atingir valores de três graus, dificilmente ultrapassando cinco graus . Em curvas feitas em alta velocidade, podem ocorrer ângulos de deriva da ordem de dez a quinze graus, dependendo do tipo de piso e pneu. O gráfico S = f(Q) mostra que com o aumento de ”Q” aumenta também o valor de S, mas não proporcionalmente. Esse comportamento pode ser melhor entendido com a análise que segue. Sejam os pneus de um eixo submetidos a uma carga radial ”Q” e uma variação ∆Q de carga radial em função da transferência de caraga das rodas do mesmo eixo. Desta forma a carga normal ao solo de um pneu é expressada, genericamente, por: Q±∆Q (1.16) Assim, para a roda externa à curva, a carga radial sobre o pneu e respectiva carga transversal são: Q+∆Q→ S +∆S1 (1.17) e para o pneu interno à curva, tem-se: Q−∆Q→ S −∆S2 (1.18) Com o auxílio da Figura 1.25, observa-se que: ∆S1 < ∆S2 (1.19) Esta não proporcionalidade de S com Q é de grande importância para o entendimento do comportamento de um veículo sujeito à ação de forças perturbadoras laterais, conforme será visto no capítulo referente a estabilidade direcional. Capítulo 1 - Pneus 27 PNEU COM MAIOR CAPACIDADE DE CARGA PNEU COM MENOR CAPACIDADE DE CARGA S S1 S2 Q Q α1 α 2 α 1 = α 2 Figura 1.26: Pneus com capacidades de carga diferentes, com mesma deriva. Na Figura 1.26 se mostra que um pneu pouco carregado admite maiores velocidades em curva que um pneu carregado até seu limite de capacidade de carga. Para melhorar o comportamento em curvas, o uso de pneus com maior capacidade de carga, ou seja sobre dimensionados, é recomendável. Porém, a adoção de pneus com maior capacidade de carga, pode causar as seguintes desvantagens: • - maior preço • - perigo de contato com o paralama ou estrutura, quando girado pelo volante ou durante o trabalho da suspensão. 1.5.3 Pressão do pneu Com o aumento da pressão do pneu, aumenta a tensão nos fios das lonas, o que torna o pneu mais rígido lateralmente. Para uma mesma carga normal, um aumento na pressão ocasiona uma maior capacidade de absorção de força lateral, para um mesmo ângulo de deriva, como está representado na Figura 1.27. Ou, dito de outra forma, para uma mesma carga normal e uma mesma força lateral, o aumento da pressão ocasiona um ângulo de deriva menor. Para ilustrar a influência da pressão de inflagem na capacidade dos pneus em absorver cargas transversais, na Tabela 1.7 é apresentada a variação da rigidez com a pressão para um dado tipo de pneu. 1.5.4 Relação altura/largura do pneu Experiências realizadas com pneus de diferentes seções transversais mostram que aqueles cuja relação altura/largura é menor são lateralmente mais rígidos, ou seja, deformam-se Capítulo 1 - Pneus 28 S Q 1P 2P 3P 4 P Pi - Pressão de inlagem 1 2 3 4P < P < P < P Figura 1.27: Característica S = f(Q) com diferentes pressões do pneu e igual ângulo de deriva. Tabela 1.7: Variação da rigidez do pneu com a pressão. Pressão Carga transversal [N ] por grau de deriva 0, 8 P 250 0, 9 P 280 1, 0 P 312 1, 1 P 340 1, 2 P 365 Obs.: P é a pressão recomendada para o pneu 6.60− 14 Capítulo 1 - Pneus 29 S/Q CARCAÇA RADIAL DIAGONAL <30º DIAGONAL = 30º a 35º α ϕ ϕ Figura 1.28: Influência do tipo de construção do pneu na absorção de forças laterais. menos quando submetidos a uma mesma força lateral. Aros mais largos propiciam, também, uma melhoria na absorção de forças laterais. Em geral, a largura dos aros é de setenta a setenta e cinco por cento da largura do pneu, não devendo ultrapassar oitenta por cento, de maneira a evitar solicitações muito grandes nos flancos e ombros do pneu. O uso de um aro mais largo ocasiona um correspondente aumento da largura efetiva do pneu, resultando em uma relação H/B mais favorável à absorção de forças laterais; mas isso implica, também, no aumento do volume interno da câmara de ar. De um modo aproximado, pode-se dizer que meia polegada de aumento na largura do aro requer um aumento de duas lbf/in2 na pressão do pneu para mantê-lo com a mesma rigidez. 1.5.5 Tipos de construção do pneu A variável com maior influência na deriva é o ângulo que os fios das lonas formam com o plano médio do pneu. Quanto menor o ângulo dos fios, tanto maior a parcela da periferia do pneu que colabora na absorção da força lateral. No pneu radial, devido a presença da cinta, praticamente toda a periferia colabora nessa absorção. Na Figura 1.28 se tem a variação da relação S/Q em função de α, para diferentes tipos de construção de carcaça. Para igual relação S/Q, o ângulo de deriva no pneu radial é bem menor, evitando grandes interferências no volante para corrigir a direção quando o veículo fica submetido à ação de forças laterais. 1.5.6 Estado da banda de rodagem Do estado da banda de rodagem depende o valor da força lateral S, conforme mostram as pesquisas realizadas em tambores rotativos no Instituto para automóveis da Universidade de Stuttgart e sintetizadas na Figura 1.29, [2]. Capítulo 1 - Pneus 30 PISTA SECA PISTA MOLHADA PNEU GASTO PNEU NOVO S α Figura 1.29: Comportamento de um pneu, sob ação de cargas transversais, para vários estados da banda de rodagem. As verificações foram feitas com pneus novos (perfil completo) e pneus gastos, bem como com o tambor seco e molhado. Com tambor seco, a reação lateral do pneu sem perfil é, aproximadamente, 15% maior do que a do pneu novo, enquanto que, com tambor molhado, a curva do pneu liso fica 20 a 30% abaixo da do pneu novo. Aqui também é comprovada a importância de pneus perfilados em estrada molhada, pela expulsão da água da superfície de contato. Em pisos secos, a menor flexibilidade dos sulcos mais rasos em pneus desgastados contribui para uma menor deformação e, portanto, um menor ângulo de deriva para uma determinada força lateral. 1.5.7 Influência do camber Devido ao camber, o peso do veículo deforma o pneu de forma assimétrica e a superfície de contato pneu/pista fica submetida a uma força lateral S 0. Com a aplicação de uma força lateral externa, primeiramente ela deve vencer a deformação correspondente a S 0 para, somente então, deformar o pneu no outro sentido. Com γ = 0, uma força S causa o ângulo α. Com γ < 0, deve-se ter S+S 0 para o mesmo ângulo de deriva e, com γ > 0, S−S 0, como pode ser visualizado na Figura 1.30. Capítulo 1 - Pneus 31 S + S S,S' Q DERIVA CAMBAGEM α γ α α α γ γ = 2º = 4º = 6º = 8º = - 2º = - 4º = - 6º Roda com cambagem negativa S S Q γ Figura 1.30: Influência do camber na absorção de forças laterais. 20 40 60 80 100 0 100 200 300 T [ºC] Resistência Relativa [%] Figura 1.31: Resistência daborracha em função da temperatura. 1.6 Capacidade de carga 1.6.1 Capacidade de carga de pneus de automóveis e caminhões A capacidade de carga define qual a força radial que pode atuar, com segurança, sem que o pneu seja danificado. No caso de pneus de automóveis e caminhões, a capacidade de carga é limitada pela geração de calor no pneu. Isso porque o calor gerado com o movimento aumenta a temperatura da borracha e, como a sua desvulcanização ocorre com temperaturas entre 120 e 150o C, o aquecimento do pneu é crítico para a sua durabilidade. Na Figura 1.31 é mostrado o comportamento da tensão de resistência da borracha em função da temperatura. O calor gerado depende, dentre um número bastante grande de variáveis, da carga sobre o pneu, de sua pressão e da velocidade do veículo. A carga e a pressão influem sobre a maior ou menor deformação que o pneu sofre; com maior carga, a pressão deve ser também maior Capítulo 1 - Pneus 32 Tabela 1.8: Capacidade de carga de pneus. PR 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 CC A B C D E F G H J L M N de modo a diminuir a deformação do pneu. A velocidade influi sobre a freqüência com que o pneu é solicitado, o que afeta a capacidade de dissipação do calor gerado internamente. A carga máxima que um dado pneu pode suportar está limitada pela pressão que ele admite, sendo que esta pressão não deve ser excedida sob risco de colapso da sua carcaça. Para possibilitar uma maior pressão é necessário um pneu com maior número de lonas, de modo a dar maior resistência à carcaça. Uma carcaça com maior número de lonas não implica, necessariamente, numa maior capacidade de carga, como é mostrado a seguir. Um pneu com 4 lonas e outro com 6 lonas possuem a mesma capacidade de carga quando inflados na mesma pressão; o pneu com 6 lonas, entretanto, admite uma pressão superior e, ficando mais rígido pelo efeito da maior pressão, se deforma menos, o que acarreta uma geração menor de calor. Pode-se dizer que a capacidade de carga fica indiretamente definida ou limitada pelo número de lonas. A tabela 1.8 fornece duas formas de representar a capacidade de carga de um pneu: em termos do número de lonas, Ply Rating, ou, então, por um código de letras. Onde: PR - Play Rating ou capacidade de carga em lonas. CC - Capacidade de carga. Deve ser salientado que este é um número nominal de lonas, não necessariamente o número de lonas usado na construção da carcaça. Hoje, há a normalização da ANBT para especificação da capacidade de carga dos pneus de camionetes e automóveis, a qual, para alguns pneus, está mostrada na Tabela 1.9. 1.6.2 Pneus de veículos fora de estrada Para máquinas e equipamentos que trabalham fora de estrada, existe uma grande in- fluência da velocidade de deslocamento do veículo sobre a capacidade de carga dos pneus, pois, devido ao tamanho do pneu, é necessária uma banda de rodagem com grande espes- sura o que ocasiona uma maior resistência à troca de calor e, conseqüentemente, um maior aquecimento. Além deste efeito, a velocidade em que a operação de carregamento é realizada é também importante, pois uma velocidade de carregamento grande implica em um fator de impacto elevado, o que pode causar uma uma carga dinâmica que supere a capacidade estática do pneu e ocasionar a sua destruição. Para que estes efeitos possam ser considerados, é definida uma capacidade de carga estática, Ce , importante nas operações de carga e descarga, e adotado um fator de correção devido à velocidade, Kv , para se chegar à capacidade de carga dinâmica, Cd. Capítulo 1 - Pneus 33 Tabela 1.9: Capacidade de carga de pneus, segundo as recomendações da ABPA (Associação Brasileira de Pneus e Aros). Índice Carga [kgf ]−[N ] Índice Carga [kgf ]−[N ] 60 250− 2450 71 345− 3384 61 257− 2521 72 355− 3482 62 265− 2600 73 365− 3581 63 272− 2668 74 375− 3678 64 280− 2747 75 387− 3796 65 290− 2845 76 400− 3924 66 300− 2943 77 412− 4042 67 307− 3012 78 425− 4169 68 315− 3090 79 437− 4287 69 325− 3188 80 450− 4414 70 335− 3286 81 462− 4532 A capacidade de carga estática depende das dimensões do pneu bem como da pressão com que ele é inflado. A máxima capacidade de carga fica limitada pela maior pressão que o pneu admite. Esta pressão máxima depende da resistência da carcaça, ou seja, do número de lonas nominal. A capacidade de carga estática, para o veículo imóvel, pode ser estimada com boa aproximação por: Ce = KBD1,5 (1.20) Onde: K = 165kN para pressões até 4 atm, ou K = 170 kN para pressões até 60 lbf/in2, onde Ce - capacidade de carga estática; D - diâmetro externo do pneu; B - largura nominal do pneu. Para outras pressões, a capacidade de carga estática pode ser estimada multiplicando-se a expressão anterior por R0,59p , em que Rp é a relação de pressões. É importante a determinação da capacidade de carga estática porque o carregamento destes veículos sempre é realizado com procedimento dinâmico, o que causa uma sobrecarga bastante elevada por um intervalo bastante pequeno. A capacidade de carga sofre uma redução acentuada quando o veículo está em movimento devido ao aquecimento do pneu e aos impactos ocasionados pelas irregularidades do piso; assim, a determinação da capacidade de carga dinâmica é fundamental. Na Figura 1.32 é ilustrada a redução da capacidade de carga em função da velocidade, segundo dados de vários fabricantes. A forma de calcular a capacidade de carga dinâmica é dada, de forma aproximada, pela seguinte equação: Capítulo 1 - Pneus 34 0 10 20 30 40 50 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1,0 k v [km/h] v Figura 1.32: Redução da capacidade de carga em função da velocidade. Cd = kvCe (1.21) onde: kv - fator de carga dinâmica, obtido na Figura 1.32; Ce - capacidade de carga estática. No caso de rodado dual, a capacidade de carga fica um pouco reduzida pela impossibili- dade de uma repartição perfeita de carga entre os pneus. Exemplo: O pneu 18.00 − 25 com 32 lonas admite até 5, 6 atm (80 lbf/in2 ); determinar a sua capacidade de carga na velocidade de 50 km/h. Dados: B = 18” d = 25” (diaˆmetro do aro) H/B = 0, 96 H = 17, 3” D = 25” + 34, 6” = 59, 6” = 1513 mm Para a pressão de 4 atm tem-se a capacidade de carga estática: Ce = 140 kN Utilizando-se 5, 6 atm de pressão: Ce = 140 ( 5, 6 4 )0,59 = 171 kN. que é a capacidade de carga estática desse pneu na pressão de trabalho. Para 50 km/h, obtem-se da Figura 1.22 Kv = 0, 45, como valor médio, logo: Capítulo 1 - Pneus 35 Tabela 1.10: Pressões de pneus para máuinas agrícolas. Tipo de uso Pressão Pneus dianteiros 24− 52 lbf/in2 Pneus traseiros 12− 28 lbf/in2, 0, 85− 2, 0 atm Pneus para implementos 20− 52 lbf/in2, 1, 4− 3, 7 atm Cd = 77, 0kN. que é sua capacidade de carga dinâmica. Como se pode notar, a capacidade de carga dinâmica é bem menor do que a estática. 1.6.3 Capacidade de carga de pneus agrícolas Estes pneus são utilizados com pressões relativamente baixas, de modo a permitir um contato suficientemente grande com o solo, geralmente macio. A faixa usual da pressão de inflagem está mostrada na tabela 1.10. A capacidade de carga dinâmica, Cd, para velocidades máximas de 32 km/h e pressão de 20 lbf/m2 , pode ser estimada pela expressão: Cd = 29 B D1,3 (1.22) Onde as dimensões da largura B e do diâmetro externo D são dadas em metros e Cd em kN . Para outras pressões, tem-se: Rc = R 0,59 P (1.23) Onde RP e Rc são relações de pressões e de capacidade de carga, respectivamente. 1.7 Designação de pneus de automóveis A designação de um pneu informa sobre o seu tamanho, capacidade de carga, limite de velocidade e forma construtiva da sua carcaça. A seguir, será apresentada a forma de especificação destas grandezas para pneus comerciais. 1.7.1 Tamanho A designação deve ser tomada como definição das dimensões nominais, não como medida exata do pneu.A designação de tamanho é composta de dois grupos de valores. O primeiro grupo corresponde à largura nominal do pneu ou à largura nominal complementada pela razão percentual entre a altura da seção e a largura. O segundo grupo representa o tamanho do diâmetro interno, ou o diâmetro do aro de montagem. Capítulo 1 - Pneus 36 d H D a B Eixo de rotação da roda Figura 1.33: Dimensões características de um pneu. A largura B e o diâmetro de montagem d são as dimensões principais para identificação do pneu e normalmente estão colocados da seguinte forma BB − dd (1.24) Onde: BB - largura nominal dd - diâmetro interno nominal Quanto ao aro do pneu, recomenda-se que sua largura fique entre 70 e 75% da largura nominal do pneu para que os flancos e ombros deste não trabalhem fora das especificações de projeto. 1.7.2 Séries de pneus No caso de pneus para automóveis tem-se várias séries, onde as dimensões da seção são proporcionais e a relação H/B é aproximadamente constante. Dentro de cada série, a seqüência de larguras nominais do pneu segue um padrão que permite identificar a que série pertence o pneu, como por exemplo: • Pneu super balão (1948) H/B = 0, 95 → série 95 Aros - 10; 12; 13; 14; 15 ... Largura - 4.80; 5.20; 5.60; 5.90; 6.40... Obs.: Dimensões em polegadas. Capítulo 1 - Pneus 37 • - Pneu de perfil baixo (1959) H/B = 0, 88 → série 88 Aros - 12; 13; 14; 15 ... Largura - 5.00; 5.50; 6.00; 6.50... Obs.: Dimensões em polegadas. • - Pneu de perfil super baixo (1964) H/B = 0, 82 → Série 82 Aros - 13; 14; 15 Largura - 6.15/155; 6.45/165; 6.95/175... Obs.: Dimensões dos aros em polegadas e a das larguras polegadas/milímetros. • - Pneus das séries 80/ 70/ 65/ 60/ 55/ 50... Estes pneus começaram a ser introduzidos no mercado em 1967. O número da série indica a relação H/B em percentagem. Assim, um pneu da série 70 possui H/B = 0, 70, aproximadamente. O número indicativo da série a que o pneu pertence aparece logo após o número que especifica a largura, separado por uma barra. Exemplos: Caso 1 : Pneu 6.50− 13 A partir dos números que especificam as dimensões dos pneus, tem-se: Largura nominal do pneu..................B = 6, 5” Diâmetro do aro................................ d = 13” Relação altura/largura do pneu.... H/B = 0, 88. Com estes resultados pode-se calcular o diâmetro externo do pneu da maneira que segue: D = 2( 0, 88)( 6, 5) + 13 D = 24, 44” = 620 mm. Caso 2 : Pneu 215/70− 15 A partir dos números tem-se que: Largura nominal do pneu........... B = 215 mm Diâmetro do aro.......................... d = 15” Relação altura/largura............. H/B = 0, 70 Diâmetro externo........................ D = 682 mm. Capítulo 1 - Pneus 38 Tabela 1.11: Limites de velocidade [km/h], segundo a nomenclatura mais antiga para pneus montados em aros com pelo menos 13 polegadas. Pressão Marca Velocidades limites - 150 Diagonal S 180 H 200 S 180 S(M+S) 160 S (M+S) ref 150 Radial H 210 H (M+S) 200 V 210 Z > 240 1.7.3 Capacidade de carga A especificação da capacidade de carga de pneus de automóveis é feita de acordo com a Tabela 1.9. A definição da capacidade de carga do pneu, é localizada logo após o número de define o diâmetro do aro do pneu. Um exemplo da definição da especificação da capacidade de carga é mostrado no Caso 2, apresentado no final do item 1.7.5. 1.7.4 Velocidade limite Todo pneu possui uma velocidade máxima a que pode resistir sem sofrer danos. A marca que indica a velocidade limite situa-se entre os dois grupos de números de designação do tamanho. Os limites de velocidade são representados por um traço horizontal ou as letras S, H ou V, como mostrado na Tabela 1.11, e determinam a velocidade máxima que pode ser desenvolvida pelo veículo sem causar dano aos pneus. Os símbolos ”(M+S)” signicam lama e neve (mud and snow) e ”ref” reforçado. Atualmente, tanto no Brasil como na maioria dos países fabricantes de componentes automotivos, a nomenclatura apresentada na Tabela 1.11 esta caindo em desuso. Em substi- tuição é adota a nomenclatura mostrada na Tabela 1.12, normalizada pela ABNT (Associ- ação Brasileira de Normas Técnicas http://www.abnt.org.br/), onde se tem a equivalência entre as marcas impressas nos flancos dos pneus e as correspondentes velocidades limites. A definição da velocidade na carcaça do pneu é localizada logo após o índice de especificação da capacidade de carga do pneu. Capítulo 1 - Pneus 39 Tabela 1.12: Equivalência entre a velocidade [km/h] e as marcas no pneu pela nomenclatura normalizada pela ABNT. Símbolo Velocidade limite P 150 Q 160 R 170 S 180 T 190 U 200 H 210 V 240 W 270 Y 300 Informações adicionais a respeito de normas, ensaios, eventos e especificações técnicas podem ser encontradas junto Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial, INMETRO (http://www.inmetro.gov.br), uma autarquia Federal vinculada ao Ministério do Desenvolvimento, Indústria e Comércio Exterior bem como com a Associação Latinoamericana de Pneus e Aros, ALAPA (http://www.alapa.com.br). 1.7.5 Tipo de carcaça Essa informação também está contida na designação dos pneus e está localizada entre os dois grupos de números que especificam o tamanho. As marcas que aparecem são as seguintes: - : Pneu diagonal R : Pneu radial B : Pneu diagonal cintado Exemplos: Determinar as características gerais dos seguintes pneus: Caso 1 : 215/65 V R 15 Este pneu segue a nomenclatura antiga. Largura nominal .................- 215 mm Diâmetro do aro .................- 15 polegadas Relação altura/largura ....... - 0, 65 Diâmetro externo ................- 15(25, 4) + 2(0, 65)215 = 660, 5 mm Tipo da carcaça ..................- Radial Velocidade limite ................- Marca V significa velocidade limite de 210 km/h. Caso 2 : 175/70 R 13 82 Q Esse pneu segue a nomenclatura moderna de especificação de pneus. Largura nominal ................- 175 mm Diâmetro do aro ................- 13 polegadas Capítulo 1 - Pneus 40 Tabela 1.13: Classificação para rodas motrizes. Símbolo Rodas motrizes R1 Agricultura R2 Culturas de cana e arroz R3 Uso industrial e areia R4 Uso industrial Relação altura/largura....... - 0, 70 Diâmetro externo ...............- 13(25, 4) + 2(0, 7)175 = 575, 2 mm Tipo da carcaça .................- Radial Capacidade de carga .......- O número 82 significa uma carga nominal de 4660 N (Tabela 1.9) Velocidade limite ...............- A letra Q significa velocidade máxima de 160 km/h (Tabela 1.12) 1.8 Designação de outros pneus 1.8.1 Pneus de camionetas, caminhões e ônibus Os pneus para uso normal em ônibus, camionetas e caminhões, apresentam uma de- signação mais simples do que a de automóveis, pois as dimensões são sempre expressas em polegadas, apenas com indicação suplementar para o caso de pneus radiais. Exemplos: Caso 1 : Pneu 6.50− 16 Largura ....................- 6, 5 polegadas Diâmetro do aro......- 16 polegadas Tipo da carcaça......- Diagonal Caso 2 : Pneu 9.00 R 20 Largura ....................- 9 polegadas Diâmetro do aro......- 20 polegadas Tipo de carcaça......- Radial 1.8.2 Tratores agrícolas e industriais Os pneus para estes equipamentos operam em condições bastante adversas de terreno. De modo a possibilitar uma rápida identificação do tipo de trabalho para o qual o pneu é adequado, eles são classificados de acordo com o código mostrado nas tabelas 1.13 e 1.14. Nesses tipos de pneus, existe uma diferença quanto à forma de designar os tamanhos para os eixos dianteiro e traseiro: Capítulo 1 - Pneus 41 Tabela 1.14: Classificação para rodas direcionais. Símbolo Rodas direcionais F1 Ranhura única F2 Agricultura geral F3 Ranhuras múltiplas I1 Implementos agrícolas, ranhurados I2 Implementos, tração moderada I3 Implemento motriz I6 Implemento de banda lisa• para o eixo dianteiro (somente direcional) as dimensões dos pneus são especificadas por dois grupos de números, BB dd (largura do pneu e diâmetro do aro), seguidos do código de serviço a que se prestam. • para o eixo traseiro as dimensões dos pneus também são especificadas por dois grupos de números, porém o primeiro grupo contém a especificação da largura do aro "a” além da largura nominal do pneu e do diâmetro do aro BB/a − dd (largura nominal do pneu/ largura do aro e diâmetro do aro). É importante salientar que estes pneus não são recomendados para serem usados com velocidades superiores a 32km/h. Exemplos: Caso 1 : Pneu 7.50− 18(F 2) Largura..................................- 7, 5 polegadas Diâmetro do aro...................- 18 polegadas Código de serviço................- F2 - Agricultura geral Posicionamento....................- Roda direcional. Caso 2 : Pneu 16.9/14− 30(R1) Largura nominal do pneu.... - 16, 9 polegadas Largura do aro......................- 14 polegadas Diâmetro do aro...................- 30 polegadas Código de serviço................- R1- Agricultura Posicionamento....................- Roda motriz. 1.8.3 Pneus para veículos fora de estrada Assim como no caso de tratores agrícolas, os pneus para veículos fora de estrada são classificados segundo o tipo de serviço recomendado. Devido à grande variedade de condições de serviço, existem diversos desenhos de confecção da banda de rodagem, porém, para cada tipo de serviço, existe uma relativa padronização entre os vários fabricantes de pneus. Em função disto, eles são classificados de acordo com a tabela 1.15. Capítulo 1 - Pneus 42 Tabela 1.15: Tipos de serviço para pneus fora de estrada. Tip os de Serviços (SAE J571) Função Cara cterística E (Earthmoves) Transp orte de terra , are ia e m inério. Resistência ao calor, a co rtes, desga ste e ruptura po r impacto. G (G rades) Moton ive ladoras. Tração e d irigib ilidade (v < 40km/h). L (Loader) Ca rregade iras Resistência ao desgas te e a cortes (v < 8km/h). LS (Log - Skidder) Tratores florestais Tração, flutuação e resis tênc ia a cortes. C (Compactor) Compactação Resistente ao óleo, a cortes e ao desgaste (v < 8km/h). Tabela 1.16: Subdivisão dos tipos de serviço de pneus fora de estrada. Subdivisão Aplicação E1 Direcionais E2 Tração E3 Para pedras E4 Banda espessa, para pedras E5 Resistente ao calor E6 Extra resistente ao calor E7 Flutuação G1 Direcionais G2 Tração G3 Para pedras G4 Banda espessa, para pedras L2 Tração L3 Para pedras L4 Banda espessa, para pedras L5 Banda extra espessa, para pedras C1 Banda lisa C2 Ranhura LS2 Intermediário (uso geral) Cada tipo de serviço possui uma subdivisão que indica as características do piso a que o pneu é adequado, o que, por sua vez, implica na construção da banda de rodagem com desenhos, reforços e volume de borracha distintos de uma para outra classificação, como mostra a tabela 1.16. Para esses tipos de pneus, tem-se três séries de largura: Convencional - série 96- a caracterização desta série é feita através do número que es- pecifica a largura, sempre inteiro e expresso em polegadas. Pneus Base Larga - série 83 - a caracterização desta série também é feita através do número que especifica a largura, que, neste caso, é sempre expresso em frações de polegadas. Pneus de perfil baixo - série 65 - a caracterização desta série é feita pelo número 65, que sempre antecede a largura nominal do pneu. Capítulo 1 - Pneus 43 Observação: quando os quatro tipos acima forem seguidos da letra S, a banda é lisa (ex.: L4S). Exemplos: Caso 1: Pneu 18.00− 25. Como a largura é expressa por um número inteiro, este pneu é da série 96 e possui as seguintes características: Largura nominal.........................B = 18 polegadas Série........................................H/B = 0, 96 Diâmetro do aro.........................d = 25 polegadas Diâmetro externo do pneu........D = 60 polegadas. Caso 2: Pneu 33.25− 35 Como a largura é expressa por um número fracionário, esse pneu é da série 83 e possui as seguintes características: Largura nominal.........................B = 33, 25 polegadas Série........................................H/B = 0, 83 Diâmetro do aro.........................d = 35 polegadas Diâmetro externo do pneu........D = 90 polegadas. Caso 3: Pneu 65/35− 33 Como a largura é antecedida pelo número 65, este pneu é da série 65 e possui as seguintes características: Largura nominal.........................B = 35 polegadas Série........................................H/B = 0, 65 Diâmetro do aro.........................d = 33 polegadas Diâmetro externo do pneu........D = 78, 5 polegadas. Capítulo 2 Mecânica da frenagem e freios 2.1 Introdução A roda foi e continua sendo uma das descobertas mais fantásticas da história da hu- manidade. Ela possibilita mover cargas muito maiores do que seria possível sem a sua utilização, devido ao fato do coeficiente de atrito de rolamento ser menor do que o atrito de escorregamento. Por isso, tem-se conseguido deslocar cada vez mais cargas de forma mais rápida e com menor gasto de energia. O efeito das grandes velocidades e a grande capacidade de transportar cargas nos veículos atuais, tem levado os projetistas a se preocuparem cada vez mais com os procedimentos de parada ou frenagem, tanto em relação ao projeto quanto em relação à manutenção. O problema não se resume a parar ou diminuir a intensidade do movimento, o que se deseja e muitas vezes se necessita é fazer um dispositivo parar o veículo na hora e/ou num lugar específico. É nesse momento que os freios devem entrar em ação e a importância da sua eficiência evidenciada. O sistema de freios deve ser capaz de parar um veículo na menor distância possível sob as mais diversas condições de uso, tais como: veículo carregado ou descarregado, piso seco, úmido ou contaminado, velocidade baixa ou alta, em aclive ou declive, pista reta ou sinuosa etc. Os freios e o sistema de freios devem ser completamente confiáveis e não serem afetados pela temperatura, poeira etc. A sua performance não pode se deteriorar com o desgaste. Adicionalmente, o sistema de freios deve exigir o mínimo de manutenção e regulagens, visto que a maioria dos motoristas não tem percepção da perda de rendimento, já que raramente usam o freio em situações limites e, também, são descuidados com a manuteção. O sistema de freio não é utilizado só nos veículos automotivos. Eles estão presentes nos veículos ferroviários, aeroviários, veículos não autopropelidos tais como bicicletas, carroças, carros de boi e em equipamentos industriais como prensas, guindastes, pontes rolantes, transportadores industriais, nos elevadores industriais ou residenciais. Para veículos automotivos, existem conjuntos de normas técnicas e legislações específicas para o projeto do sistema de frenagem, ensaios, qualificação e regulamentação dos sistemas de freios, as quais têm particularidades específicas em função do país ou região econômica. A legislação define terminologia, descreve conceitos básicos e os requisitos mínimos que cada 44 Capítulo 2 - Mecânica da frenagem e freios 45 um dos itens que compõem os sistemas ou circuitos de freio devem satisfazer. Para compreender o princípio de funcionamento de um sistema de freios é preciso levar em consideração o conceito de frenagem, que por sua vez está associado ao conceito de atrito, que é o fenômeno provocado pelas forças de adesão existentes entre duas superfícies em contato, com movimentos relativos. Esses conceitos foram aplicados empiricamente nas primeiras concepções de equipamentos que se movem e param. Porém, o controle da ação da frenagem através da aplicação da força, do tamanho das áreas de contato, das características dos materiais atritantes, da quantidade de energia que deve ser dissipada e agressão ao meio ambiente, hoje são tratados
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