Características dos veículos rodoviários em relação à mecânica de seus movimentos

Nestas notas de aula são estudadas as várias características dos veículos rodoviários quanto à mecânica da sua locomoção. Ainda que toda a teoria apresentada seja para automóveis, o foco de interesse são os caminhões, porque estes são os veículos críticos no que diz respeito ao desempenho em rampas, frenagem e sobrelarguras em curvas. Estas notas começam com uma apresentação de vários aspectos da mecânica de locomoção e traça-se um paralelo entre as locomotivas diesel-elétrica e os caminhões rodoviários a diesel.

1. Introdução: Por mais que existam diferenças razoáveis entre as tecnologias dos veículos rodoviários e ferroviários, os princípios básicos são os mesmos para trens e caminhões. As diferenças nos modelos utilizados para estuda-los estão em função de algumas particularidades de cada tecnologia.

O foco de interesse destas notas de aula é os caminhões, pois estes são os veículos que podem apresentar o comportamento mais crítico ao longo de seu movimento em uma rodovia ou estrada. A seguir são apresentadas algumas características básicas da mecânica de locomoção dos veículos rodoviários.

2. Força Motriz: Os conceitos fundamentais sobre a mecânica da locomoção dos veículos terrestres já foram abordados nas notas sobre mecânica da locomoção de trens. Apesar destes fundamentos serem válidos para a locomoção de carros e caminhões, eles devem ser adaptados para levarem em consideração as características de transmissões dos veículos rodoviários.

Universidade Estadual do Oeste do Paraná Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas Curso de Engenharia Civil

Mecânica da Locomoção de Veículos

Tecnologia de Transportes

Na Figura 1 tem um esquema simplificado da transmissão de um caminhão de tração traseira. A potência que é gerada por um motor de combustão interna é transformada em torque por um volante conectado ao virabrequim ou árvore de manivelas; este torque é transmitido à árvore de transmissão ou eixo cardan através da caixa de câmbio. A caixa de câmbio dispõe de uma série de engrenagens de reduções diferentes – uma redução de 4:1 significa são que necessárias quatro rotações do virabrequim para produzir uma volta do eixo cardan.

Figura 1. Esquema básico da transmissão de um veículo rodoviário.

O torque transmitido através da árvore de transmissão é conduzido aos semi-eixos motores pelo diferencial, onde existe um conjunto de coroa e pinhão. Geralmente, o diferencial aplica uma redução adicional ao torque, que apesar de normalmente ser fixa em automóveis de passeio, pode ser variável em alguns modelos de caminhões e veículos fora-de-estrada. Nestes veículos, o motorista pode acionar uma redução maior nas situações onde um maior esforço trator é necessário.

A redução do diferencial é aplicada em função do eixo cardan. Portanto, se a redução do diferencial é de 5,9:1, significa que os semi-eixos motores dão uma volta para cada 5,9 revoluções do eixo cardan. Como as reduções são em série, pode-se determinar quantas revoluções do virabrequim são necessárias para produzir uma revolução das rodas motrizes: supondo-se que a redução na caixa de câmbio seja de 4:1, uma volta completa dos semi-eixos motores requer 23,6 revoluções do eixo motor, pois 4 x 5,9 = 23,6.

Motor Volante

Caixa de Câmbio

Eixo Cardan

Semi-eixo motor

Diâmetro do pneu com veículo carregado

Virabrequim ou árvore de manivelas

Diferencial

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O veículo se movimenta em função do atrito entre os pneus das rodas motrizes e a superfície da estrada ou terreno. Como os semi-eixos motores estão conectados às rodas do veículo, o esforço trator desenvolvido pelo motor é transmitido à interface entre os pneus e o pavimento. O esforço trator efetivamente disponível depende da aderência que pode ser atingida na interface pneu-pavimento.

A velocidade de um veículo pode ser calculada a partir do número de rotações da árvore de manivelas do seu motor pela seguinte expressão:

gdgt

O numerador calcula a distância percorrida (em metros) em uma hora, a uma velocidade do motor de N rotações por minuto, encontrando o número de revoluções em uma hora e multiplicando este valor pela circunferência da roda motriz. O denominador converte distância percorrida para quilômetros e converte as rotações do motor em rotações dos semi-eixos motores.

2.1. Determinação da força motriz: Conforme deduzido nas notas de mecânica da locomoção de trens, o esforço trator desenvolvido por um veículo pode ser dado pela equação abaixo:

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Vale ressaltar que o motor deve atuar, assim como as locomotivas diesel-elétricas, dentro de uma faixa de rotação ótima, pois o motor não funciona em velocidade de rotação inferiores à da marcha-lenta e velocidade de rotação muita altas danificam o motor.

Nas Tabelas tem-se o procedimento para obtenção das curvas de esforço trator em cada marcha, para um veículo de quatro marchas, cujas reduções gt são 6,1:1, 2,9:1, 1,6:1, 1:1, respectivamente; cujo pneu tem diâmetro D = 1,0 m e cuja redução do diferencial é gd = 4,6.

Na Tabela 1 são calculadas as velocidades que o veículo desenvolve em cada marcha, em função da rotação do motor e da redução na caixa de câmbio, utilizando-se a equação:

gdgt

Tabela 1. Velocidade do veículo. Marcha 1a 2a 3a 4a

Potência

(hp) Rotação do Motor (rpm)

Velocidade (km/h)

Na Tabela 2 é calculado o esforço trator desenvolvido pelo caminhão em cada uma das velocidades determinadas na Tabela 1. A determinação do esforço é feita pela equação já mencionada acima e repetida aqui novamente abaixo:

Nesta equação substitui-se V pelas velocidades