Comportamento fluido para amortecedores de motocicletas

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Universidade Federal de Campina Grande
Centro de Ciência e Tecnologia
Unidade Acadêmica de Engenharia Mecânica
Departamento de Engenharia Mecânica
Síntese de Estudo
Comportamento fluido para amortecedores de motocicletas
Disciplina
Mecânica dos Fluidos I
Aluna
Joyce Ingrid Venceslau de Souto
Campina Grande - PB
Março de 2021
Sumário
1.	Mecanismo de deslocamento interno do fluido 3
2.	Propriedades relevantes 		 4
	2.1 Viscosidade 4
	2.2 Massa específica 5
3.	Outros fenômenos relacionados						 6
3.1 Cavitação 6
Referências										 8
1. Mecanismo de deslocamento interno do fluido
Os amortecedores são basicamente bombas de óleo. Conforme mostrado na Fig. 1, um pistão é preso à extremidade de uma haste do pistão e funciona contra o fluido hidráulico no tubo de pressão. A medida que a suspensão passa por saltos e ricochetes, o fluido hidráulico é forçado por minúsculos orifícios dentro do pistão. No entanto, os orifícios permitem que apenas uma pequena quantidade de fluido passe pelo pistão. Isso desacelera o pistão, que por sua vez desacelera o movimento da mola e da suspensão. A quantidade de resistência que um amortecedor desenvolve depende da velocidade da suspensão e do número e tamanho dos orifícios no pistão. Os amortecedores são dispositivos de amortecimento hidráulico sensíveis à velocidade, o que significa que quanto mais rápido a suspensão se move, mais resistência os amortecedores fornecem. (MONROE SHOCK ABSORBERS, 2021)
Figura 1 – Esquema diagramático de um amortecedor
O orifício presente no pistão do amortecedor é o responsável direto pelo coeficiente de amortecimento, pois ele gera uma perda de carga no fluido que escoa da câmara em compressão para a câmara em descompressão. Essa perda de carga é resultante em grande parte das perdas de entrada e de saída do orifício, que variam em função da geometria e forma das bordas de entrada e de saída e do diâmetro e do comprimento do orifício, e da geometria do tubo. 
Para modelar a perda de carga no orifício, duas abordagens devem ser analisadas quanto a sua aplicação, a Teoria da Placa de Orifício de Bernoulli e a Equação de Bernoulli para conservação de energia no fluxo de um fluido. No entanto, há algumas restrições para a utilização dessa teoria, uma delas é o posicionamento do orifício, que deve ser concêntrico com a tubulação, o que é bastante difícil de se obter em um desenho de amortecedor convencional pois a haste ocupa a posição central do pistão, forçando os orifícios a serem posicionados excentricamente ao pistão. Além disso, há também a condição de que o orifício não pode ser menor do que ½” e a espessura do pistão não pode exceder 5% do valor do diâmetro do tubo. Isso resultaria em um pistão muito fino que não seria capaz de resistir às forças resultantes dos impactos absorvidos pelo amortecedor.
2. Propriedades relevantes
2.1 Viscosidade
	Sabe-se que a viscosidade absoluta (ou dinâmica), representada pela letra grega mu () de um fluido é definida como sendo uma constante de proporcionalidade que relaciona a tensão de cisalhamento que um fluido sofre com uma determinada taxa de deformação, em um escoamento cisalhante puro. O papel da viscosidade dinâmica é fundamental na performance do amortecedor, tendo em vista que influencia diretamente no número de Reynolds que é utilizado, inclusive para dimensionar o orifício do pistão dele. 
	Notando que o número de Reynolds representa a relação entre o transporte de quantidade de movimento devido aos efeitos conectivos e difusivos, sendo um parâmetro adimensional que pode ser utilizado para determinar o regime do escoamento de um fluido (para fins de engenharia, existem apenas dois tipos de regime que o escoamento pode assumir, sendo turbulento para e laminar para ), sendo este também influenciador na magnitude das forças produzidas pelo amortecedor, já que há equações que variam de acordo com o número de Reynolds, como por exemplo, a equação para o cálculo das perdas distribuídas ().
	As perdas distribuídas são causadas por efeitos de atrito no escoamento em tubos de seção constante. O efeito do atrito () pode ser mensurado através do uso do fator de atrito na
equação das perdas distribuídas:
Onde L é o comprimento do canal do orifício (m) e D é o diâmetro do orifício (m). A dependência da viscosidade dinâmica com o número de Reynolds, advém das expressões para se obter os fatores de atrito, sendo cada uma delas utilizada para um tipo de regime de escoamento fluido já descrito anteriormente. Caso o escoamento seja laminar, o fator de atrito será:
	E se o escoamento for turbulento, o fator de atrito pode ser determinado por meio da equação de Moody, dada por: 
	Onde é a rugosidade (mm) da superfície, sendo consideradas as operações de usinagem durante a fabricação do orifício para determinação do seu valor. Um outro ponto importante que deve ser notado é que a viscosidade dos óleos minerais em geral varia amplamente em função da temperatura, com quedas de 2% por cada aumento de 1°C, de acordo com DIXON (2007). Esse efeito da temperatura sobre a viscosidade é indesejável, pois torna a performance do amortecedor variável. Portanto, tanto a seleção do fluido para um amortecedor quanto os cuidados relacionados a manutenção de um amortecedor deve ser levado em consideração essa propriedade do fluido., objetivando reduzir o efeito da redução da viscosidade. (D’OLIVEIRA, 2014) A figura a seguir ilustra esse fenômeno.
Figura 2 - Variação da Viscosidade de Óleos Minerais em função da Temperatura
 	2.2 Massa específica
A massa específica, geralmente representada pela letra grega ro () é a expressão da massa por unidade de volume e se observa também que ela possui um importante efeito na performance do amortecedor pois possui influência direta na Equação de Bernoulli. A Equação de Bernoulli expressa a conservação de energia no escoamento de um fluido incompressível ao longo de uma linha de corrente. A expressão matemática para a Equação de Bernoulli é dada por:
Essa expressão demonstra que haverá uma perda de energia mecânica (de pressão, cinética e/ou potencial) durante a passagem do fluido pelo orifício, representada pelas parcelas de perdas distribuídas e perdas localizadas. No que tange aos projetos mecânicos de amortecedores, normalmente é desconsiderada a perda potencial, pois a variação de nível do fluido é desprezível.
De acordo com DIXON (2007), a massa específica da maioria dos óleos minerais gira em torno de 860 kg/m3 e dependem do tamanho das moléculas de hidrocarboneto que compõem o óleo, de forma que maiores moléculas proporcionam maiores massas específicas, porém esse valor é uma boa escolha para o fluido de amortecimento pois sua massa específica se encontra numa faixa ideal por não gerar forças de amortecimento muito altas e nem muito baixas. Além disso, a variação de temperatura do fluido também influencia na massa específica do óleo mineral, porém pelo fato desta ser muito menor se comparada com a variação da viscosidade, pode ser desconsiderada.
3. Outros fenômenos relacionados
3.1 Cavitação
Na suspensão, a cavitação é a formação de bolhas de ar no óleo de amortecimento. É ruim porque o ar age de forma diferente do óleo ao passar pelos calços/orifícios do amortecedor. Cavitação hidrodinâmica descreve o processo de vaporização, geração de bolhas e implosão de bolhas que ocorre em um líquido que flui como resultado de uma diminuição e subsequente aumento da pressão local. Então, a cavitação só ocorrerá se a pressão local diminuir a algum ponto abaixo da pressão de vapor saturado do líquido,seguido por uma recuperação subsequente acima da pressão de vapor. Se a pressão de recuperação não estiver acima da pressão de vapor, então ocorre a evaporação do fluido.
	Acontece quando a pressão no retentor, visualizado na Figura 2, é muito baixa para estabilizar o óleo quando ele flui pelas válvulas e circuitos hidráulicos do amortecedor. Essa pressão atua diretamente com a quantidade de amortecimento projetado para um/todos os amortecedores envolvidos no sistema. A quantidade de amortecimento é determinada pela cinemática do projeto do quadro da bicicleta e seu uso pretendido. A cavitação pode ocorrer quando as pressões são muito baixas ou o amortecimento e as viscosidades do óleo (pressão de vapor saturado) são muito altas.
Figura 3 – Componentes de um amortecedor 
Fonte: <http://www.sindicatodaindustria.com.br/noticias/2017/03/72,108699/teste-dos-amortecedores-empurrar-para-baixo-nao-adianta.html>
	Sabe-se que o óleo geralmente tem alguma porcentagem de ar dissolvido nele, assim como a água. Os amortecedores com câmara de gás a parte, ou seja, são abastecidos a vácuo (como segue na Fig. 4), podem reduzir essa quantidade. A cavitação é causada quando o fluido flui através de uma restrição e a pressão diferencial através da restrição é grande o suficiente para que a pressão local caia o suficiente para puxar o ar dissolvido para fora e criar uma bolha. Então, quando o sistema se equaliza novamente, as bolhas entram em colapso. O colapso causa uma onda de choque local e pode causar dano ou até a destruição de componentes em um sistema hidráulico. Normalmente, se o fluxo de entrada de óleo em uma bomba for restrito, haverá cavitação na área do impulsor, que pode erodir e causar falha à bomba em questão de horas. Em um amortecedor, isso acontece no curso de compressão, quando a pressão de carga do gás é muito baixa, uma vez que o lado do pistão do amortecedor, que proporcionalmente fica maior durante o curso de compressão, cai muito baixo em pressão. (BENEDICT, 2017)
Figura 4 – Amortecedor hidráulico com cilindro de gás.
Fonte: <http://xcd135.blogspot.com/2009/03/xcd-135-dts-si-gets-nitrox-shock.html>
	Para visualizar melhor esse fenômeno, acesse o seguinte vídeo “OHLINS Controlled shock cavitation!” (disponível no link: https://www.youtube.com/watch?v=GBcRBOikb8c). Nele, existe uma bancada experimental de amortecimento pertencente à renomada empresa sueca de suspensões Öhlins e se observa que, ao reduzir a pressão do gás nitrogênio que abastece o amortecedor de bancada, bolhas de ar começam a surgir no interior do fluido de amortecimento, tornando o movimento do subsistema inadequado ao seu funcionamento. Ao pressurizar novamente o nitrogênio na câmara de gás, nota-se que o efeito de cavitação se reduz até desaparecer totalmente. Daí, dentre outros procedimentos de mecânica, tem-se a importância da montagem a vácuo das câmaras de gás dos amortecedores.
REFERÊNCIAS
ABSORBERS, M. S. What Shock Absobers Do? 2021. Disponível em: https://www.monroe.com.au/trade-corner/tech-info/shock-absorbers/what-shock-absorbers-do.html. Acesso em: 7 mar. 2021.
BENEDICT, T. Suspension Tech : What is cavitation ? Why is it bad for suspension performance ? 2017. Disponível em: https://bikerumor.com/2017/07/21/suspension-tech-cavitation-bad-suspension-performance/#:~:text=One of the reasons it%27s,way%2C it%27s bad for performance.
DIXON J., 2007, The Shock Absorber Handbook, Society of Automotive Engineers, Warrendale, Pa. USA.
D’OLIVEIRA, F. S. Projeto de um amortecedor para protótipo de veículo off-road. 2014. 79 f. 2014. 
FOX, R. W.; McDONALD, A. T.; PRITCHARD, P. J. Introdução à mecânica dos fluidos. 7. ed. São Paulo: LTC, 2011.
WHITE F., 2001, Fluid Mechanics – Fourth Edition, McGraw-Hill, New York, USA.
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