Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
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1. 35 Figura 2 25 Processo de forjamento ssssssssssssee eene 36 Figura 2 26 Sequ ncia de opera es CAD CAM nn nano nn nan cn ran cnn ranma cnn 38 Figura 2 27 Exemplo de triple clamp anodizados area 40 Figura 2 28 Exemplo de componentes anodizados rara 40 Figura 3 1 Esquema de for as acelera o m xima Adaptado de 17 44 Figura 3 2 Esquema de for as m xima travagem na roda dianteira Adaptado de TD s tice Ns 45 Figura 3 3 Esquema de for as m xima travagem roda traseira Adaptado de 17 46 Figura 3 4 Esquema de for as do motociclo em curva Adaptado de 17 47 Figura 3 5 Triple Clamp Superior Yamaha R1 2000 Adaptado de 18 49 Figura 3 6 Distribui o aleat ria das fibras curtas 53 Figura 3 7 Compara o da densidade do HexMC com outros materiais Adaptado de A a a Da A E 54 Figura 3 8 Compara o da tens o de ced ncia espec fica do HexMC com outros materiais Adaptado 24 ssar nano E nc r naar 54 Figura 3 9 Comparag o do m dulo espec fico do HexMC com outros materiais Adaptado de 24 2 rei tine Posti tecti I bets 55 Figura 3 10 Exemplos de aplica o de compostos de2. 55 Figura 3 11 Malha de elementos finitos utilizada 57 Figura 3 12 Condi es de fronteira do modelo 57 Figura 3 13 Distribui o de tens es no caso de travagem m xima na roda dianteira e identifica o das zonas cr ticas essen 58 Figura 3 14 Transmissibilidade em fun o da raz o de frequ ncia Retirado de 26 60 Figura 3 15 Frequ ncias naturais Al 6061 e HexMC esee 62 Figura 3 16 For a Contacto Pneu Dianteiro Piso durante passagem em degrau queda com 0 05 m a 100 km h Adaptado de 6 63 Figura 3 17 Gr fico for a de contacto vs Tens o de Von Mises m xima 64 Figura 3 18 Distribui o de tens es para o HexMC em situa o de impacto m ximo 65 Figura 3 19 Identifica o da zona cr tica em situa o de impacto m ximo 65 Figura 3 20 For a de impacto For a de contacto em regime estacion rio vs Tens o de ced ncia do material sss 66 Figura 4 1 Etapas do processo de fabrico do HexMC Adaptado de 24 70 Figura 4 2 Placa necess ria para maquinar o componente 73 Figura 5 1 Etapas para trabalhos futuros eene nens 76 Figura A 1 Valores t picos de distancia
3. see 3 2 2 Defini o de Motociclo 8 2 3 Cinem tica e Din mica de Motociclos sss 10 2 3 1 ORCAS at aro cute seh 10 2 3 2 MOVIMENTOS no e epp eene 11 2 3 3 Din mica Lateral sss 11 2 4 Sistema de Suspens o Dianteira seara 13 2 4 1 Triple Clamps iiie ad ines 18 2 5 Materiais Comp sitos e substitui o do Alum nio 21 2 5 1 O que um material comp sito tee snesen erreen 21 2 5 2 Interesse no uso de materiais 25 2 5 3 Exemplos de substitui o de solu es convencionais por materiais COmp SItOS cope ge Hunt e bee Heo te obe odis 25 2 5 4 Exemplos de aplica o dos comp sitos 26 2 5 5 Substitui o do alum nio por materiais comp sitos 27 2 5 6 Processos de Fabrico de Comp sitos de Matriz Polim rica 30 2 5 7 Processos de Fabrico do componente em Alum nio 36 3 PROJETO E SIMULA O NUM RICA narnia 41 3 1 An lise de For as num Motociclo erre 42 3 1 1 Acelera o rior 43 3 1 2 M xima Travagem na Roda 45 3 1 3 M xima Travagem na R
4. Figura 2 4 Exemplo de produto criativo Todos os produtos independentemente da sua natureza ou caracter stica t m um determinado ciclo de vida A pr xima figura ilustra o ciclo de vida de um produto desde um ponto de vista econ mico Vendas vendas lucro Crescimento Maturidade tempo Figura 2 5 Ciclo de vida de um produto num ponto de vista econ mico 1 Projeto de engenharia o uso de princ pios cient ficos informa es t cnicas e imagina o na defini o de estruturas m quinas ou sistemas para desempenhar fun es pr especificadas com m xima economia e efici ncia Projeto uma atividade predominantemente cognitiva fundamentada em conhecimento experi ncia e dirigida na busca de solu es timas de produtos t cnicos a fim de determinar a constru o funcional e estrutural criar documentos com informa es precisas e claras para o seu fabrico O projeto do produto pode ser formulado como uma atividade de planear sujeita s restri es de resolu o e s restri es de solu o Como restri es de resolu o entende se Revis o da Literatura aquelas que se relacionam com o conhecimento dispon vel o tempo facilidades de laborat rio e de computa o para resolver o problema As restri es de solu o englobam aspetos de custo disponibilidade de materiais equipamentos e processos de fabrico uso e manuten o Para se obter sucesso no desenvolviment
5. 18 Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos A seguinte ilustrac o mostra cada uma destas medidas Angulo Rake PN Trail Figura 2 14 Rake offset e trail de um motociclo Adaptado de 7 Rela o entre offset trail e rake e Seaumentar o rake o trai l aumenta e vice versa e Seaumentar o offset para ambos os triple clamps o trail diminui e Seaumentar o offset apenas do triple clamp superior o trail aumenta e Se aumentar o offset apenas do triple clamp inferior o trail diminui 7 A conjuga o destes 3 par metros permite alterar as caracter sticas de estabilidade e dire o do motociclo conforme a utiliza o que se vai dar a este e as prefer ncias do condutor Podem ser consultadas mais informa es sobre estes par metros geom tricos no ANEXO A Este componente permite melhorar o manuseio do motociclo atrav s da altera o do offset ajustando se s necessidades do condutor Tamb m permitem uma melhor absor o dos choques e das vibra es que caso contr rio iriam ser transmitidas para as m os do condutor Esta diminui o das vibra es possibilita uma menor fadiga nos bra os e consequentemente uma melhor sensa o de condu o 19 Revis o da Literatura 20 Figura 2 15 Exemplos de triple clamps Helder Marques Design de mesas de direc o Triple Clamps para motociclos 2 5 Materiai
6. Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos Helder Marques Gon alves Cavalheiro da Costa Dissertagao do MIEM Orientadores na FEUP Professor Antonio Torres Marques Professor Antonio Joaquim Mendes Ferreira PORTO FEUP FACULDADE DE ENGENHARIA UNIVERSIDADE DO PORTO Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Mestrado Integrado em Engenharia Mecanica Julho de 2013 Helder Marques 2013 Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos Resumo Nos tempos atuais existe uma crescente demanda na reduc o do peso das estruturas No campo da ind stria autom vel e de motociclos essa redu o prende se com o aumento do pre o dos combust veis Uma diminui o no peso global de um ve culo resulta em menores consumos de combust vel e um consequente menor impacto ambiental Necessita se assim de substituir as solu es convencionais por solu es com materiais mais leves mas que apresentem a mesma performance Surge assim o interesse no uso de materiais comp sitos em estruturas prim rias de ve culos nomeadamente com fibra de vidro e de carbono O presente trabalho refere se possibilidade de introduzir materiais comp sitos num componente pertencente suspens o dianteira de motociclos Sendo o componente original de alum nio torna a tarefa ainda mais desafiante uma vez que a sua efic cia estrutural elevada Neste tipo de estudo devem ser consi
7. Figura D 2 For as na roda dianteira Adaptado de 17 Da imagem anterior podemos retirar que y D 3 D 4 Procedendo a uma an lise do conjunto dianteiro temos o seguinte diagrama de corpo livre 1 F2 Rx Figura D 3 Esquema para c lculo de for as nos triple clamps 92 Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos Y My cos dix F2 d xsina x Ry d x cosa x Ry 0 dxcosaxR dxsinax Ry Fl 0 dix FL d d1 x sina x Ry d d1 x cosa x Ry 0 _ d d1 x cosa x Ry d d1 x sina x Ry F1 d1 Considerando os seguintes valores e as equa es anteriores temos 24 e d 734 e di 150 _ 0 734 cos 24 4914 14 0 734 x sin 24 x 3874 95 0 150 2 14255 289 iz 0 734 0 150 x cos 24 x 4914 14 0 734 0 150 x sin 24 x 3874 95 0 150 11342 0082 N D 5 D 6 D 7 D 8 D 9 D 10 93 Anexo D C lculo de For as para aplica o n software de Elementos Finitos D 2 Impacto Analisando a FIGURA 3 16 pode se observar que para o caso apresentado a for a de contacto no pneu dianteiro passa de aproximadamente 1100 N para 3600 N aumentando cerca de 3 3 vezes Portanto para esta an lise vai se considerado o seguinte Fimpacto mE 3 3 x Na D 1 1 Tendo em conta os valores calculados anteriormente temos Fimpacto 3 3 X 1937 475 6393 668 N
8. o o 58 23 E EE OQ 5 o QF fe o 27 og nO Primeiros clientes Ciclo de inova o Figura 2 6 Desenvolvimento integrado de produto e as suas etapas Adaptado de 1 Revis o da Literatura 2 2 Defini o de Motociclo Segundo 2 embora os motociclos sejam compostos por uma grande variedade de componentes mec nicos desde um ponto de vista estritamente cinem tico considerando as suspens es como sendo r gidas um motociclo pode ser simplesmente definido como um mecanismo espacial composto por 4 corpos r gidos e Conjunto traseiro quadro selim dep sito motor e conjunto de transmiss o e Conjunto dianteiro forquilha coluna de dire o e guiador e Roda dianteira e Roda traseira Estes corpos r gidos est o conectados por tr s eixos de revolu o eixo de dire o e os dois eixos das rodas e est o em contacto com o solo como mostrado na FIGURA 2 7 Eixo de revolu o Rota o do guiador Ne N m Coluna de dire o Mobi IN de Avan o 3 Roda Dianteira 5 Estrada Eixo de revolu o Movimento j Eixo de revolu o 2 lt 4 Roda Traseira R Pontos de contacto roda piso Figura 2 7 Estrutura Cinem tica de um Motociclo Adaptado de 2 Os 4 corpos r gidos representam 24 graus de liberdade Cada eixo de revolu o restringe cinco graus de liberdade no mecanismo espacial enquanto cada ponto de contacto roda p
9. H D FLHTCUI Honda Nighthawk750 Suzuki S 650 BMW F650GS Honda GL1500 SE Buell Blast H D FXST Softail STD Honda Shadow Sabre Honda Magna Triumph T Bird Sport Kawasaki Vulcan Drifter 1500 Honda Valkyrie Interstate Honda GL 1800 Yamaha Roadstar Yamaha V Star 1100 Yamaha RoyalStar Venture Yamaha V Star 1100 Yamaha V Star 1100 Clazzic Kawasaki 2X 6R Triumph Daytona Suzuki 62250 Suzuki Hyabuza Honda CBRS00F 4i Ducati Monster City Yamaha YZF R6 Suzuki GSX R600 Kawasaki 2X 6R Honda CBR Honda CB1100XX Triumph TT600 Yamaha YZF R6 BMW R1100G Suzuki Bandit 600 BMW K1200LT Triumph Tiger 90 Figura A 4 Valores t picos da altura do centro de gravidade 6 e 0 gt gt Figura A 5 Esquema de motociclo e identifica o dos seus principais par metros geom tricos Adaptado de 17 S mbolo Par metro S mbolo Par metro Cog Centro de gravidade h Altura do cog p Dist ncia entre eixos c Angulo de rake b Dist ncia do cog para a Offset frente p b Dist ncia do cog para T Trail tr s Rf Raio roda frente f Angulo de transfer ncia de carga Rr Raio roda tr s Tabela A 2 Simbologia e identifica o de par metros da Figura A 5 84 Helder Marques Design de mesas de direc o Triple Clamps para motociclos AnexoB Caracter sticas Yamaha YZF R1 2000 Comprimento total 2035 mm Largura total 695 mm Altura total 1105 mm Altura do assento 815 mm Distancia entre eixos
10. 201 194 x 9 81 3874950 N C 8 9 9 201 194 x 9 81 x 2 4914 14 oo 10 C 3 M xima travagem roda dianteira Segundo as equa es 3 10 e 3 11 e a SEC O 3 1 2 considera se que para a condi o de m xima travagem na roda dianteira NP C 11 12 13 Tendo em conta os par metros do ANEXO B N 0 C 14 Na 201 194 x 9 81 3874 95 N C 15 F 201 194 x 9 81 x 5 2491414 N a 0 55 C 16 88 Helder Marques Design de mesas de direc o Triple Clamps para motociclos C 4 M xima travagem na roda traseira Segundo as equa es 3 12 a 3 17 e a SEC O 3 1 3 considera se que para a condi o de m xima travagem na roda traseira i 3 7 ES pg 100 100 F N xu Na mg T NXu Em que a de transfer ncia de carga da roda traseira para a dianteira a 20 tcspt a transfer ncia de carga na posi o est tica roda traseira tcspd a transfer ncia de carga na posi o est tica roda dianteira b tcspd tcspt 1 tcspd 09 Tendo em conta os par metros do ANEXO B roga R a UMOR LC tcspt 1 0 5 0 5 50 100 20 50 Pl N 201 194 9 81 109 154998 N 1549 98 x 0 9 1394 98 N 201 194 x 9 81 1549 98 2324 97 T 2324 97 x 0 9 2092 47 C 17 C
11. 52 Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos 3 3 3 HexMC O HexMc um composto de molda o baseado em pr impregnados de fibras descont nuas curtas neste caso fibra de carbono Este material distribu do pela empresa Hexcel 22 sob a forma de rolo Este composto especialmente concebido para ser utilizado na molda o por compress o permitindo r pidos ciclos de processamento Durante o processo de fabrico n o existe desperd cio de material A sua matriz de epoxy e apresenta um volume de fibra de carbono de alta resist ncia HS Carbon de 5796 O comprimento das fibras de 50 mm 23 As fibras est o distribu das aleatoriamente dai este tipo de material ser considerado quasi isotr pico Figura 3 6 Distribui o aleat ria das fibras curtas Na seguinte tabela poder o ser consultadas algumas das propriedades do material p kg m 1550 M dulo de Young GPa 30 Tens o de ced ncia MPa 300 Tens o de rutura MPa 500 Tabela 3 6 Propriedades HexMC 23 53 Projeto e Simulac o Num rica Densidade g cm3 O e 010 A o Lig a Li ga SMC Li ga PA refor ada HexMC Tit nio Alum nio FibradeVieto std Magn sio eradevidro Figura 3 7 Comparagao da densidade do HexMC com outros materiais Adaptado de 24 Tens o de ced ncia espec fica 250 00 200 00 150 00 100 00 50 00 0 00 Al 6061 T6 al 7075 16 MgAZ91D A o
12. Revis o da Literatura 2 5 6 Processos de Fabrico de Comp sitos de Matriz Polim rica Da an lise do artigo 8 foram encontrados os seguintes processos adequados produ o deste tipo de componente e que s o apelativos na substitui o do alum nio e Moldagao por inje o com rea o RIM Resin Injection Moulding e Moldagao por transfer ncia de resina RTM Resin Transfer Molding e Molda o com compostos SMC Sheet Moulding Compound e BMC Bulk Moulding Compound a Moldac o por inje o com rea o RIM A molda o por inje o com rea o tamb m designada por molda o por rea o l quida ou RIM consiste em e Misturar dois l quidos monom ricos reativos numa c mara de mistura e Injetar num molde fechado sob baixa press o a mistura imediatamente a seguir e A polimeriza o e geralmente separa o de fase d se dentro do molde e Ap s solidificada a pe a ejetada ou retirada do molde Existe uma variante deste processo que o RRIM Reinforced Reaction Injection Molding Nesta variante introduzem se fibras curtas num dos componentes reativos o que conduz inje o de uma mistura pr refor ada Existe tamb m o SRIM Structural Reaction Injection Molding onde se introduzem fibras longas na forma de mantas de fibra cont nua telas ou pr formas no interior do molde antes da inje o Molde fechado Figura 2 20 Esquema do processo RRIM 15 Vantagens e d
13. extrusora Figura 2 24 Esquema do processo de molda o por inje o 15 Vantagens da moldac o em prensa Pegas com excelente acabamento superficial baixo peso elevada resist ncia mec nica e custo competitivo Baixo custo de m o de obra Processo pouco poluente uma vez que nao existe nenhum tipo de solvente no ar durante a produc o Possibilidade de reciclar os produtos moldados em SMC Possibilidade de s ries elevadas 10000 a 200000 pecas com baixo investimento unit rio em ferramentas Vantagens e desvantagens da molda o por inje o Cad ncia de produ o elevada uma vez que o tempo inje o varia tipicamente entre 1 e 5 segundos Elevado volume de pelas produzidas at 2000 pe as pequenas por hora Necessidade de poucos acabamentos Qualidade mec nica do comp sito limitada mas compensada pela possibilidade de obter pe as com exig ncias t cnicas bem definidas nomeadamente com paredes de espessura vari vel ngulos vivos e nervuras Aplica es da molda o em prensa Produ o em grande escala de pe as para carro arias ou componentes estruturais de autom veis e caixas para equipamento el trico e eletr nico Crescentemente aplicada em sectores produtivos de materiais sanit rios banheiras e de mobili rio urbano cadeiras para est dios e cinemas etc Geralmente aplicada em pe as at 1 5 m muito embora se possa produzir pe as maiores Aplica es de molda o por inje
14. o Produ o em grande escala de pe as complexas para equipamentos el tricos e componentes para autom veis uma aplica o importante do BMC s o os far is dianteiros Produ o de brinquedos para crian as Geralmente aplicada em pe as relativamente pequenas 35 Revis o da Literatura 2 5 7 Processos de Fabrico do componente em Alum nio Nesta sec o do trabalho ser o introduzidos alguns dos processos de fabricos que sao utilizados para a conce o do componente na sua solu o original ou seja em alum nio Estes processos incluem forjamento maquinagem e anodiza o a Forjamento Forjamento um processo de conforma o em geral a quente que por compress o se obriga a mat ria prima a assumir a forma contorno ou perfil da ferramenta conformadora chamada matriz ou estampo Por forjamento a frio produzem se parafusos porcas e engrenagens entre outros um processo semelhante conforma o diferenciado pelo fato de que este acontece por impacto A mat ria prima colocada na parte inferior do molde ent o a parte superior desce em alta velocidade e atinge a mat ria prima Dependendo do tipo de processo adotado no forjamento pode se gerar m nima perda de material e boa precis o dimensional Diversas t cnicas produtivas s o adotadas para se conseguir forjar pe as e melhorar as caracter sticas metal rgicas algumas dessas t cnicas s o milenares com baixo grau tecnol gico caros e demo
15. o Triple Clamps para motociclos 3 1 4 Quando o motociclo est em curva Vamos considerar um motociclo em curva e em regime permanente O equil brio dos momentos de forcas que atuam no centro de massa mostra que a forca lateral normalizada necess ria para assegurar o equil brio do motociclo igual tangente do ngulo de rolamento conforme mostra a pr xima figura Inclina o Figura 3 4 Esquema de for as do motociclo em curva Adaptado de 17 Dependendo do tipo de pneu usado ha um intervalo desde 0 at X onde a forga lateral precisa para o equil brio menor que a for a de impuls o gerada pela inclina o em si Uma vez que a for a lateral gerada deve ser exatamente igual necess ria ao equil brio a diminui o das for as laterais obtida atrav s de um ngulo de derrapagem negativo Devido a isto a roda apresenta uma componente de velocidade lateral em dire o ao interior da curva Para valores do ngulo de inclina o superiores a X a for a lateral produzida pela inclina o em si n o suficiente para o equil brio do motociclo e por isso o aumento da for a lateral obtido com o deslizamento lateral do pneu Este comportamento caracter stico dos pneus dos motociclos onde a for a lateral gerada quase sempre inteiramente devida componente de inclina o apresentando um papel fundamental na sua seguran a Na tcspd x mg 3 18 PSH NG 3 19 47 Projeto
16. a press o deve se situar entre 50 e 150 bar e a temperatura entre 110 C e 125 C A carga pr forma colocada no interior do molde de compress o recomendado que aproximadamente 8096 da rea do molde esteja coberta Deve ser aplicado um desmoldante ao molde tamb m Sob temperatura e press o o material flui e preenche o molde D se aqui o tempo de cura necess rio O tempo e a temperatura de cura varia de acordo com a espessura do componente Um ciclo t pico de cura 15 minutos a 120 C Ap s a cura deve se retirar o componente E aconselhado um molde equipado com pinos de eje o para ajudar desmolda o O HexMC formulado com um desmoldante interno por isso o molde apenas necessita de ser revestido a cada 5 componentes moldados Exemplo de componente final ap s desmolda o 71 Processos de Fabrico e An lise de Custos 4 2 An lise de Custos A an lise de custos um fator muito importante no processo de desenvolvimento de produto uma vez que pode aprovar ou inviabilizar uma hipot tica solu o ou projeto O custo de produ o de um componente a totalidade de custos incorridos na sua produ o durante um determinado per odo tempo composto por tr s elementos materiais diretos m o de obra direta e custos indiretos de fabrico e Materiais diretos referem se a todo material que se integra no produto e que possa ser inclu do diretamente no c lculo do custo do produto Ex mat r
17. e Largura da forquilha Dist ncia entre tubos da forquilha e Di metro dos tubos da forquilha e Di metro do eixo da coluna de dire o e Offset e Dist ncia para a coluna de dire o Dist ncia entre tubos da forquilha Di metro do tubo da forquilha Figura 2 13 Principais especifica es de um Triple Clamp De forma a compreender melhor a import ncia dos triple clamps e de como se pode ajustar o desempenho de um motociclo atrav s deles importante referir alguns par metros geom tricos importantes tais como Rake ou ngulo da forquilha Trai e Offsef Estes par metros s o estabelecidos pela forquilha e os seus pontos de fixa o no quadro Rake definido como o ngulo entre o eixo vertical e o eixo da dire o O ngulo de inclina o tem efeito na dire o quanto menor for o rake mais f cil ser o motociclo virar mas ser menos est vel em linha reta Trail a dist ncia medida no solo entre uma linha reta tra ada atrav s do centro do eixo da roda dianteira e uma linha tra ada atrav s do eixo do cabe ote da dire o Quanto maior for o Trail maior ser a estabilidade em linha reta contudo ser mais dif cil efetuar viragens Offset a dist ncia entre uma linha tra ada atrav s do centro do eixo da haste de dire o cabe ote e a linha de centro dos tubos do garfo dianteiro Quanto maior for o offset menor vai ser o trail
18. ncia entre eixos do peso na frente Distribui o 60 0 50 0 45 0 ANC H9 X2 009 upueg nens 009 X 9 nnns 9 2 niezemex eznqe p nnns digo tpuoH 9001 18 MINS 9 22 px 9 324 14009499 SPYOH 1299 Ing ix png 009 59 Mans ganeg aeng 55006 ne ng euogieg qdunu quuds qdunu y seysproy eueuie uods parg j po ds ydwnu 009 LL dun 06 19611 0S2 3e iy epuoy Bury pto dH13 O H 05229 mnang 00792 puoH OSIM XTA opeqs 0011 MS A SPUD 4114 O H 002 SPYSH Amano M NICA epuoy eI 0011 2815 4 eque 001115 PUOH XX001 LII 1700212 MINS 059 eqeut A 590593 AWS mm2oueds 00217X DOSS PUH cpuom DOLL 1 4 OS9AS nang 0S9 OLS 1109405 15X4 O H DIQES MOPEYS suo neong Jag 536351940 EUN epuoy 521 SPYSH 1121913 O H 35 005119 PuoH uc nA MESCACA 093 Mopeus epuop 008119 052 113 196263 JS b o A iyssemey 0031414 Figura A 3 Valores t picos da distribui o do peso na roda da frente 6 83 Anexo A Par metros geom tricos de um motociclo Altura do CG mm 700 0 600 0 500 0 400 0 300 0 200 0 100 0 Buell X1 Triumph Sprint Suzuki GSX R600 Buell X
19. rio e pode ser longitudinalmente inst vel quando submetido a uma acelera o ou desacelera o suficiente 2 3 3 Din mica Lateral A din mica lateral tem se demonstrado ser a mais complicada exigindo an lise din mica tridimensional de v rios corpos No m nimo s o necess rias duas equa es diferencias de segunda ordem acopladas para caracterizar os principais movimentos Obter solu es exatas imposs vel sendo necess rio recorrer aos m todos num ricos em seu lugar Na TABELA 2 1 podem ser observados os principais movimentos na din mica lateral de um motociclo equil brio viragem e manobrabilidade e os par metros que afetam cada um desses movimentos 11 Revis o da Literatura Din mica Lateral de Motociclos Equil brio Viragem Manobrabilidade e Velocidade de avan o e Inclina o e Localiza o do centro de e Contra viragem e Viragem em e Trail estado e Distancia entre eixos estacion rio e Input do e Distribui o da massa do e Angulo de condutor mecanismo de diregao viragem e Efeitos girosc picos e Pneus e Auto estabilidade e Acelera o longitudinal Tabela 2 1 Movimentos principais na Din mica Lateral de um Motociclo Adaptado de 2 12 Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos 2 4 Sistema de Suspensao Dianteira Os sistemas de suspens o nos motociclos foram introduzidos entre 1930 e 1940 desde ent o
20. 00 3 eeu HEFEI 0011 2945 4 yew dIQES tPUOH MOPpeys 5pnauj 0081 TA Mnang 13 t22t 2ue nA 0051 PNA uc2 nA etaty 20091 X LA PUOH fog 1041141514 O H iX png 1249 png u03207 002 LH MING 009119 epuoH a p duuog Os24seyyBiy puo 590593 AWG HOLL y enybeg zn xaxd O H 00699 Ebro 1905115 MAS 06 19611 ydwmu uods pag 1 qduni 5524 AID 05229 mnang 1700212 MAS dag uodg uordsoys zn 059 4 teste 123 11921913 O H 3000113 MINS IJUE uexoA 29 2 009 HAA puoH 50021 wpucg nens 30S2XS9 tue nang 009 cucaey neng 002 XYZ 001 LXZ opa 009 upueg neng sI PYH ed 0001 AS ed 1 95 0001 d LA Puoy 966 neng 9 32 yew Vd 324 cqeui Jj 009 11 OS2e XSH nang O09H XSH nens 009d X 9 nens L O A yscsemey 6 2 elun yesemey tpuoH 12009490 CPUCH 15 neng A dH006Hg2 414 626 499 epuom eueuie a 9 X2 000111 1320044 Figura A 2 Valores t picos do ngulo rake 6 est intimamente relacionado com o valor do O valor do angulo rake ngulo da forquilha trail Em geral de modo ao motociclista ter um boa sensa o de manobrabilidade um aumento do ngulo rake deve ser acoplado com um correspondente aumento do trail O valor do trail depende do tipo de motociclo e da sua dist
21. 123 Tabela 3 10 Resultados obtidos para situagao de impacto via processo iterativo Estes resultados foram obtidos com o software de elementos finitos de acordo com o ANEXO D 2 onde se considera que a for a de impacto corresponde for a de contacto roda piso Atrav s destas considera es e da TABELA 3 9 foi elaborado o seguinte gr fico Tens o Von Mises M x MPa 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 For a de Contacto Roda Piso N Figura 3 17 Gr fico for a de contacto vs Tens o de Von Mises m xima 64 Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos Atrav s do gr fico da FIGURA 3 17 foi obtida a linha de tend ncia cuja equa o y 0 0129x 0 0132 Em que y tens o de Von Mises m xima MPa X forca de contacto roda piso N Sendo assim foi calculada a for a de contacto for a de impacto a partir da qual se chega tensao de ced ncia em cada um dos tr s materiais 21396 372 38993 271 23256 837 9 279 x 1071 1 625 2 316 a 5 ONG 1 Ay de A DER gt hy gt MAS gt es Eee C e un MSS e Sds ham A lt Figura 3 19 Identifica o da zona cr tica em situa o de impacto m ximo 65 Projeto e Simulac o Num rica Mais uma vez com se pode observar pela Tabela 3 11 o valor dos deslocamentos no caso do HexMC o maior de todos os materiais testados Apesar disso o valor obtido
22. 21 Esquema do processo RTM 15 Vantagens e Acabamento muito bom em ambas as superf cies e Obten o de pe as com formas complexas incluindo insertos e machos e S ries pequenas ou m dias 31 Revis o da Literatura Possibilidade de automa o parcial Espessura uniforme nas pe as podendo variar entre 0 5 e 9 mm Baixa emiss o de vol teis Baixa porosidade O refor o pode ser montado em pr formas complexas com diversos tipos de fibra de formas comerciais Possibilidade de obter pe as com elevado teor em fibra Desvantagens Moldes e ferramentas auxiliares s o dif ceis de projetar e mais caros do que os necess rios para a molda o manual mas menos caros do que os usados em molda o em prensa Necessita de bastante m o de obra Dificuldade de prever o fluxo de enchimento Limita es de dimens o Necessidade de utilizar resina de baixa viscosidade Percentagem de pe as rejeitadas pode ser elevada dado que o refor o pode mover se no interior do molde O processo n o f cil de automatizar Aplica es Produ o em s ries pequenas ou m dias de pe as para carro arias de cami es reboques e contentores Aplicado em materiais sanit rios como por exemplo banheiras Permite a produ o de pe as com dimens es m dias c Molda o com compostos SMC e BMC Composto em folha ou SMC uma mistura de fibra de vidro ou carbono cortada numa fra o vol mica de 20 a 60
23. ao SMC Std Ti 6Al AV HexMC carbono Glass fiber 1040 Figura 3 8 Compara o da tens o de ced ncia espec fica do HexMC com outros materiais Adaptado de 24 54 Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos M dulo espec fico 30 25 15 10 Al6061 T6 al 7075 t6 MgAZ91D SMCStd 6 47 carbono Glass fiber 1040 Figura 3 9 Compara o do m dulo espec fico do HexMC com outros materiais Adaptado de 24 A tens o de ced ncia espec fica do HexMC quase duas vezes supeior do Al6061 T6 e ligeiramente superior do AI7075 T6 Pode ser equiparado neste cap tulo a uma das ligas de tit nio mais utilizadas o Ti GAI 4V grau 5 Quando ao m dulo espec fico este inferior ao dos alum nios testados o que se ir traduzir em maiores deslocamentos no componente Figura 3 10 Exemplos de aplica o de compostos de molda o 55 Projeto e Simulac o Num rica 3 4 Aplica o de Elementos Finitos Ap s o c lculo das for as aplicadas nas diferentes situa es agora o momento de as aplicar no componente e test lo com os diferentes materiais A engenharia tem como um dos seus objetivos tentar compreender o comportamento de um sistema e transform lo num modelo matem tico Atrav s dos modelos matem ticos podemos prever o que pode vir a acontecer em determinada situa o e ap s isso tentar melhorar a performance do sistema Ho
24. e Simulac o Num rica E sendo assim N tcspt x mg 3 20 TuS 8 21 A forca F tamb m pode ser obtida pela forca centr fuga onde 2 F mxr x 3 22 Onde raio de curvatura velocidade angular 3 1 5 For as externas Resumo De acordo com as sec es anteriores e o ANEXO C temos Travagem Travagem Regime Acelera o NA m m xima roda m xima roda Curva Estacion rio M xima dianteira traseira 0 3874 95 2324 97 1937 48 1937 48 3874 95 0 1549 98 1937 48 0 0 4914 14 1394 48 1743 73 4914 14 0 2092 47 1743 73 Tabela 3 1 Resumo de forgas externas Ap s uma breve an lise da TABELA 3 1 pode se facilmente constatar que a situa o que acarreta maiores esfor os no conjunto dianteiro a de travagem m xima na roda dianteira 48 Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos 3 2 Triple Clamp Testado O triple clamp testado nomeadamente o triple clamp superior pertence ao modelo Yamaha YZF R1 2000 Este componente foi obtido em 18 sob o formato de modela o 3D em SolidWorks Este componente tem como principais especifica es e Offset 35 mm e Di metro dos tubos da forquilha 51 mm e Distancia entre os centros dos tubos da forquilha 210 mm Figura 3 5 Triple Clamp Superior Yamaha R1 2000 Adaptado de 18 49 Projeto e Simulac o Num rica 3 3 Materiais Testados Nesta sec o ser referida a de
25. entre eixos 6 sss 82 Helder Marques Design de mesas de direc o Triple Clamps para motociclos Figura A 2 Valores t picos do ngulo rake 6 sss eee 83 Figura Valores t picos da distribui o do peso roda da frente 6 83 Figura A 4 Valores t picos da altura do centro de gravidade 6 84 Figura A 5 Esquema de motociclo e identifica o dos seus principais par metros geom tricos Adaptado de 17 sse enne 84 Figura C 1 Esquema de for as motociclo em estado estacion rio Adaptado de 17 87 Figura D 1 Esquema de forcas travagem m xima na roda dianteira Adaptado de e e EE E CER EDS de ATE T nues 91 Figura D 2 For as na roda dianteira Adaptado de 17 92 Figura D 3 Esquema para c lculo de for as nos triple clamps 92 Figura D 4 Esquema de for as para c lculo de for a de impacto nos triples clamps 94 xi Lista de Figuras Xii Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos Lista de Tabelas Tabela 2 1 Movimentos principais na Din mica Lateral de um Motociclo Adaptado 2 a e boten co tutto dos trs 12 Tabela 2 2 Tipos de Materiais Comp s
26. es serem cumpridas precisa se de uma ideia de custos e pesos relativos 19 Helder Marques Design de mesas de direc o Triple Clamps para motociclos 3 3 1 Al 6061 T6 O Al 6061 uma liga de alum nio que contem como principais elementos de liga o magn sio e o sil cio Tem boas propriedades mec nicas e apresenta uma boa soldabilidade uma das ligas de alum nio mais comuns para fins de uso geral especialmente estruturas de alta resist ncia que requeiram um bom comportamento corros o Normalmente est dispon vel num grau pr temperado como o 6061 O recozido e em grau temperado como o 6061 T6 e o 6061 T651 Neste caso o grau T6 significa que o alum nio foi tratado por solubiliza o e ent o envelhecido artificialmente Outros 95 8 0 04 0 15 Max 0 8 Max 0 4 Max Max 98 6 0 35 0 4 0 7 1 2 0 15 0 8 0 15 0 25 Tabela 3 2 Composi o qu mica Al 6061 20 p kg m 2700 M dulo de Young GPa 68 9 Tens o de ced ncia MPa 276 Tens o de rutura MPa 310 Coeficiente de Poisson 0 33 Tens o limite de fadiga MPa 96 5 para 5x10 9 ciclos Maquinabilidade 50 Temperatura de Fusao C 582 652 Tabela 3 3 Propriedades Mec nicas e T rmicas Al6061 T6 20 Aplica es t picas e Usado na constru o de estruturas de avi es como asas e fuselagens e Constru o de iates incluindo pequenas embarca es e Garrafas de ar comprimido para mergulhos e equipamentos de respira
27. feitas de alum nio A redu o de peso resulta em reduzidos consumos de combust vel velocidades mais elevadas maiores cargas suportadas e um reduzido impacto ambiental Contudo um sistema estrutural efetivo tamb m imp e grandes exig ncias no que diz respeito resist ncia do material e plasticidade no facto de ser f cil de unir juntar a tratamentos de superf cie absor o de energia aquando de impactos resist ncia corros o e muito mais Muitos passos podem ser dados para melhorar o consumo de combust vel e reduzir emiss es t xicas mas a grande contribui o hoje em dia ainda vem da redu o de peso nas estruturas e componentes Devem ser considerados os seguintes requisitos no design produ o de um triple clamp e Redu o massa e Resist ncia ao impacto e Resist ncia fadiga e Redu o vibra es e Processo de fabrico e Etapas de produ o e Tempo produ o e Custo produ o e Custo final Este cap tulo ser dividido da seguinte forma e An lise de for as num motociclo e Estudo simula o do componente original em alum nio e Escolha do material comp sito e An lise do componente com o material escolhido e Identifica o e an lise das frequ ncias naturais e Considera es de projeto 41 Projeto e Simulac o Num rica 3 1 An lise de Forcas num Motociclo Um trabalho deste g nero pode tomar muito tempo com diversas pessoas a trabalhar nele uma vez que existem var
28. for a de contacto dispara para o valor de aproximadamente 3600 N A flutua o da for a ao longo do tempo ap s o impacto devida ao amortecimento que considerado neste caso A dissipa o das for as de impacto dependem muito das caracter sticas quer da suspens o quer do pneu Ap s aplica o de elementos finitos ao modelo geom trico do componente com a devida coloca o das condi es de fronteira e for as externas nomeadamente for a de impacto e for a transmitida ao triple clamp calculadas no ANEXO D 2 foram obtidos os seguintes resultados EEE ECG ee Omix MPa 82 82 82 276 503 300 pm 3 37 6 13 3 66 2 772 x 107 2 664 x 10 1 5 027 x 1071 Tabela 3 9 Resultados obtidos para o caso de impacto 63 Projeto e Simulac o Num rica Onde Sced n coeficiente de seguran a Om x Estes resultados foram obtidos com uma Fimpacto 6393 668N e uma corresponde Feripleciamp 6998 74 N De modo a tentar obter tens es m ximas pr ximas das tens es de ced ncias dos materiais atrav s de um processo iterativo foi se aumentado o valor da carga aplicada e retirando o valor da tens o de Von Mises m xima instalada Os resultados foram os seguintes Fimpacto N tripleclamp N Ovonsmises max MPa 21925 09 24000 282 207 23752 18 26000 305 729 27406 36 30000 352 762 36541 82 40000 470 349 38368 91 42000 493 871 40196 44000 517 394 45677 27 50000 587 949 63948 18 70000 823
29. helic ptero Ligas leves Aco 16 kg Carbono epoxy 9 kg Guincho de suporte para oe Aco soldado 16 kg Carbono epoxy 11 kg helic ptero Cabeca de robot para soldar Alum nio 6 kg Carbono epoxy 3 kg Carbono epoxy estrutura Alum nio fundido Mesa X Y para fabrico de honeycomb SCAM Taxa de fabrico 30 circuitos integrados Taxa de fabrico 55 placas hora placas hora Tabela 2 4 Exemplos de substitui o de solu es convencionais por materiais comp sitos Adaptado de 11 25 Revis o da Literatura 2 5 4 Exemplos de aplicac o dos comp sitos e Capacete kevlar de prote o individual de algumas for as militares e Colete prova de bala kevlar e Bet o armado cimento e a o e Bicicletas carbono e Varas salto com vara e Alguns barcos de lazer fibra de vidro ou carbono e Pranchas de Surf e windsurf e Pas dos helic pteros e Canas de Pesca grafite ou carbono ou fibra de vidro e Raquetes de t nis e Industria autom vel e aerospacial Material comp sito no EMBI70 Painel sandu che Laminado s lido Vidro ep xi Vidro ep xi Carbono ep xi Carbono ep xi z Rudder Fairing tip Vidro aramida ep xi coa Rudder Vertical stabilizer Fairing tip Elevator Root fairing Singlet Loiding edge Vertical stabilizer dea E Elev tor Aileron q Floor panel Elevator Fairing tip Flap fairin
30. interesse num motociclo incluem equil brio caso est tico travagem viragem dire o acelera o ativa o da suspens o e vibra o O estudo destes movimentos come ou no s culo XIX e continua at hoje 3 4 5 Tanto os motociclos como as bicicletas s o ve culos fundamentalmente diferentes e mais dif ceis de estudar do que outros ve culos de rodas como por exemplo os triciclos e quadriciclos Apresentam falta de estabilidade lateral quando estacion rios e na maioria das circunst ncias s permanecem em p quando se deslocam para a frente A experimenta o e an lise matem tica demonstraram que um motociclo permanece na posi o vertical quando for orientado para manter o seu centro de massa sobre as suas rodas Esta orienta o normalmente gerada por um condutor V rios fatores incluindo geometria distribui o da massa e efeito girosc pico contribuem em diferentes graus para esta auto estabilidade Manter se em p pode ser o principal objetivo para um condutor piloto iniciado Contudo o motociclo deve inclinar se a fim de manter o equil brio numa curva quanto maior for a velocidade ou menor for o raio da curva maior a inclina o requerida Ao contr rio de outros ve culos a entrada de comando prim rio a dire o e n o a posi o Embora os motociclos sejam longitudinalmente est veis quando parados costumam ter um centro de massa razoavelmente alto e uma dist ncia entre eixos suficiente para leva
31. manter as rodas em contacto com o piso e assumir o equil brio desejado Contudo noutro tipo de ve culos a suspens o esperada para servir outros prop sitos Por exemplo em motociclos off road a suspens o serve para isolar a massa suspensa dos cont nuos impactos gerados pelos saltos do ve culo Perante uma travagem a suspens o dianteira pode ser chamada a suportar 100 do peso do ve culo adicionando a isto as for as de travagem a carga est tica da suspens o ir quase triplicar Enquanto tem esta fun o ter de ser tamb m capaz de absorver os choques provenientes das irregularidades do piso estrada Existem quatro par metros principais que afetam a performance de uma suspens o e Mola e Amortecedor e Massa suspensa e n o suspensa e Caracter sticas do pneu 18 Revis o da Literatura Mola Tendo em conta o prop sito de uma suspens o a caracter stica mais importante de uma mola a sua constante el stica uma medida da sua rigidez e determinada pela for a extra necess ria para comprimir a mola uma certa dist ncia A constante el stica pode ser expressa em N mm e no sistema imperial de medida usualmente expressa em Ibf inch Portanto numa mola com uma constante igual a 10 N mm ser necess rio exercer uma for a extra de 100 N para a mola comprimir 10 mm As molas mais comuns s o as helicoidais feitas em aco Figura 2 8 Exemplos de molas helicoidais Amortecedor Um amortece
32. o assistida e Constru o de quadros e outros componentes de bicletas e Carretos de pesca 51 Projeto e Simulac o Num rica 3 3 2 Al 7075 T6 O AI 7075 uma liga de alum nio que cont m como principal elemento de liga o zinco Tem boas propriedades mec nicas apresentando uma resist ncia compar vel a v rios a os boa resist ncia fadiga mas uma menor resist ncia corros o que outras ligas de alum nio uma das ligas de alum nio mais comuns para fins de uso geral especialmente estruturas de alta resist ncia que requeiram um bom comportamento corros o Normalmente est dispon vel num grau pr temperado como o 7075 O recozido e em grau temperado como o 7075 T6 e o 7075 T651 Neste caso o grau T6 significa que o alum nio foi tratado por solubiliza o e ent o envelhecido artificialmente Outros 87 1 0 18 1 2 Max 2 1 91 4 0 28 2 0 5 2 9 Tabela 3 4 Composi o qu mica Al 7075 21 p kg m 2810 M dulo de Young GPa 71 7 Tens o de ced ncia MPa 503 Tens o de rutura MPa 572 Coeficiente de Poisson 0 33 Tens o limite de fadiga MPa 159 para 5x10 9 ciclos Maquinabilidade 70 Temperatura de Fus o C 477 635 Tabela 3 5 Propriedades Mec nicas e T rmicas Al7075 T6 21 Aplica es t picas e Componentes de bicicletas e Moldes e Constru o de avi es militares barcos e alguns componentes de autom veis e Equipamentos de lacrosse e escalada
33. rebarba o e Fendas internas originam se no interior da pe a como consequ ncia de tens es originadas por grandes deforma es e Gotas frias s o descontinuidades originadas pela dobra de superf cies sem a ocorr ncia de soldagem Elas s o causadas por fluxos anormais de material quente dentro das matrizes incrusta es de rebarbas coloca o inadequada do material na matriz e Incrustac es de xidos causadas pela camada de xidos que se formam durante aquecimento Essas incrustag es normalmente desprendem se mas ocasionalmente podem ficar presas nas pe as e Descarbonizac o caracteriza se pela perda de carbono na superf cie do a o causada pelo aquecimento do metal e Queima gases oxidantes penetram nos limites dos contornos dos gr os formando pel culas de xidos causada pelo aquecimento pr ximo ao ponto de fus o 37 Revis o da Literatura Vantagens do processo de forjamento e Controlando a deforma o durante o processo de forjamento pode se melhorar as propriedades mec nicas da pe a produzindo um alinhamento direcional melhorando assim propriedades de tens es ductilidade impacto e resist ncia a fadiga Desvantagens do processo de forjamento e As pe as a serem forjadas geralmente necessitam de maquinagem depois do processo de forjamento e Osequipamentos sao muito caros b Maquinagem As pe as fabricadas por fundi o ou conforma o podem em alguns casos ser produz
34. usados para descrever motociclos s o os seguintes e Dist ncia entre eixos e ngulo rake ou ngulo da suspens o forquilha e Trail Estes par metros s o medidos com o motociclo na posi o vertical e com um ngulo de dire o no guiador igual a zero A dist ncia entre eixos a dist ncia entre os pontos de contacto dos pneus na estrada O ngulo rake o ngulo entre o eixo vertical e o eixo de rota o da parte dianteira eixo da coluna de dire o O trail a dist ncia medida no plano do piso entre o ponto de contacto da roda dianteira e o ponto de intersec o do eixo do cabe ote de dire o com a estrada Estes par metros s o importantes para definir a manobrabilidade de um motociclo N o comum contudo analisar os efeitos produzidos apenas por um par metro geom trico independentemente dos outros devido forte intera o entre eles Em seguida v o ser apresentadas algumas considera es sobre o modo como estes par metros influenciam o comportamento din mico e cinem tico dos motociclos O valor da dist ncia entre eixos varia de acordo com o tipo do motociclo Dist ncia entre eixos Tipo de Motociclos lt 1200 mm Scooters Entre 1200 e 1350 Motociclos pequenos 125 cc Entre 1350 e 1600 Motociclos de m dia dimens o 250 cc gt 1600 Motociclos touring Tabela A 1 Varia o da dist ncia entre eixos em fun o do tipo de motociclo Adaptado de 2 81 Anexo A Par metr
35. 0 12 Para este caso sera assumido que a forga de impacto sera totalmente suportada pelo triple superior Figura D 4 Esquema de for as para c lculo de for a de impacto nos triples clamps Fimpacto Feripleciamp cosa D 13 Considerando os valores apresentados anteriormente e no ANEXO B temos 6393 668 Feriplectamp cos 24 _ 6998 74 N D 14 Deste modo a for a a aplicar no triple clamp superior para esta situa o de impacto sera de 6998 74 N 94
36. 1395 mm Altura Centro de Gravidade 550 mm Trail 92 mm Offset da forquilha 35 mm Rake 24 Peso seco sem leo nem combust vel 175 kg Peso 194 kg Carga m xima condutor passageiro acess rios Raio dianteira 300 mm Raio roda traseira 311 mm Tipo suspensao dianteira Forquilha telesc pica Curso dos garfos suspensao 135 mm Comprimento livre da mola de suspensao 255 mm Comprimento instalado 242 4 mm Constante rigidez da mola 7 35 N mm Curso da mola 0 135 mm Tabela B 1 Caracter sticas Yamaha YZF R1 2000 28 85 Anexo B Caracter sticas Yamaha YZF R1 2000 86 Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos Anexo C lculo de For as Externas C 1 Regime estacion rio Em primeiro lugar ir o ser calculadas as for as de contacto do motociclo em regime estacion rio Figura C 1 Esquema de for as motociclo em estado estacion rio Adaptado de 17 p b mg Mc m C 1 _ bmg EU C 2 Considerando os valores apresentados no ANEXO B temos 1 395 0 6975 201 194 x 9 81 1937 475 N d 1 395 _ E 1937 475 N OC 1395 87 Anexo C C lculos de Forcas Externas C 2 Acelerac o M xima Segundo as equa es 3 7 e 3 8 e a SEC O 3 1 1 considera se que para a acelera o m xima Ne mg C 5 Na 0 C 6 E C 7 Tendo em conta os par metros do ANEXO B
37. 18 C 19 C 20 C 21 C 22 C 23 C 24 C 25 C 26 C27 C 28 89 Anexo C C lculos de Forcas Externas C 5 Quando o motociclo est em curva Segundo as equa es 3 18 a 3 21 e a SEC O 1 1 1 quando o motociclo est em curva considera se que Na tcspd X mg C 29 F uxNg C 30 N tcspt X mg C 31 T UxN C 32 Tendo em conta os par metros do ANEXO B e os valores para as transfer ncias de carga calculadas anteriormente 0 5 x 201 194 x 9 81 1937 48 N C 33 F 0 9 x 1937 48 1743 73 N C 34 0 5 x 201 194 x 9 81 1937 48 N C 35 T 0 9 1937 48 1743 73 N C 36 90 Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos AnexoD C lculo de Forcas para aplica o no software de Elementos Finitos D 1 M xima travagem na roda dianteira Tal como visto em 3 1 a solicita o onde ocorrem os maiores esfor os no conjunto dianteiro o caso da m xima travagem na roda dianteira Seguidamente ser o calculados as v rias for as para posterior aplica o em Abaqus Figura D 1 Esquema de for as travagem m xima na roda dianteira Adaptado de 17 Segundo a SEC O 3 1 5 temos Na 3874 95 N D 1 F 4914 14 N D 2 91 Anexo D C lculo de Forcas para aplicac o n software de Elementos Finitos Seguidamente temos que calcular os esfor os no eixo do pneu dianteiro
38. 2 316 mm um valor que nao poe a estrutura em risco Segundo o ANEXO D 2 o valor da for a de contacto roda dianteira piso em regime estacion rio de 1937 475 N Oced Omix MPa 276 503 300 Fim acto aa 11 043 20 126 12 004 F contacto Tabela 3 12 Forca de impacto Forga de contacto em regime estacion rio 22 4 20 4 y 0 04x 0 0005 2 18 4 Jet 16 4 27 14 4 o Fimpacto Fcontacto 4 12 4 10 4 250 300 350 400 450 500 550 Tens o de ced ncia do material MPa Figura 3 20 For a de impacto For a de contacto em regime estacion rio vs Tens o de ced ncia do material No caso de impacto podemos afirmar que o HexMC suporta aproximadamente 12 vezes a forca de contacto do pneu dianteiro em regime estacion rio Este valor ligeiramente superior ao do Al6061 T6 66 Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos 3 8 Consideracoes de projeto O projeto de componentes com compostos de molda o estruturais deve levar em conta e Forma do componente e requisitos funcionais e Pr forma de carga para o molde e Projeto do molde determina o da carga de carregamento como o fluxo ir ocorrer e como o componente ser removido e O efeito do projeto nos custos de produ o globais 14 Cada um destes pontos dever ser considerado de forma a atingir o melhor design que corresponda s necessidades de peso performance e custo Para al m do
39. Para o c lculo das for as externas foram estudadas as seguintes situa es 42 Acelera o M xima Travagem m xima na roda dianteira Travagem m xima na roda traseira Quando a moto est dentro da curva com limite de ader ncia dos pneus Helder Marques Design de mesas de direc o Triple Clamps para motociclos 3 1 1 Acelerac o M xima Algumas hip teses particulares ser o consideradas nesta parte e Aforca de resist ncia ao rolamento zero e Aforca de sustenta o aerodin mica tamb m considerada zero e A superf cie da estrada plana A acelera o m xima ocorre quando no limite a roda traseira come a a perder o contacto com o piso A partir deste momento duas vias podem ser seguidas e O motociclo gira em torno do ponto de contacto traseiro se este limite n o for ultrapassado e O momento antes de a roda traseira come ar a deslizar o momento em que a roda dianteira perde contacto com o piso As seguintes for as atuam num motociclo e O peso mgatua no seu centro de gravidade e A for a motriz T que o piso aplica ao motociclo no ponto de contacto com a roda traseira e As for as de rea o verticais Na e trocadas entre os pneus e o plano do piso estrada Carga din mica na roda dianteira Na Nsa Ne sun aput Carga din mica traseira D mg x o 3 2 As for as de rea o verticais s o compostas por dois elementos e O pr
40. Reforco Fibra de vidro Mineral Organica Fibra de Carbono x Pol meros Termopl sticos Aramida PMC s Org nico Par Pol meros Termoendurec veis Poliamida Matrix Composites Boro Met lico Alum nio Carbono Mineral Carboneto de sil cio Met lica uL Ligas leves de Aluminio Met lico Boro MMC s Magn sio Tit nio Metal Matrix Composites Boro revestido com Carboneto Misto de Silfcio Mineral Carbonetos Cer mica CMC s Ceramic Matrix Composites Met lica Boro ou Tungst nio Tabela 2 2 Tipos de Materiais Comp sitos 9 O principal objetivo de se produzirem comp sitos o de combinar diversos materiais para se produzir um Unico com propriedades superiores s dos componentes isolados pelo que a combina o dos materiais constituintes decidida a partir da aplica o espec fica que se pretende dar ao material comp sito A conce o deste tipo de materiais milenar existem refer ncias escritas sobre a utiliza o de argila refor ada com palha em tijolos no Antigo Egipto No s culo XIX j se utilizavam barras de ferro para refor ar alvenarias abrindo se assim o caminho para o desenvolvimento do bet o armado Nos anos 40 do s culo XX generalizou se a utiliza o de pl sticos refor ados em componentes el tricos A partir de 1960 desenvolveram se as fibras de carbono que foram a partir de 1968 aplicadas em avi es A combina o dos materiais depende da aplica o espec fica q
41. a abras o Dureza Resist ncia gua Resist ncia el trica 16 Este tipo de processo utilizado em alguns tipos de triple clamps de modo a melhorar a sua durabilidade qualidade superficial e est tica A maior parte dos produtos anodizados t m um tempo de vida extremamente longo oferecendo vantagens significativas do ponto de vista econ mico e de manuten o O exterior da camada an dica bastante est vel aos raios ultravioleta sem lascar nem descascar A anodiza o oferece um largo leque de polimentos e de colora es A anodiza o do alum nio permite manter o aspeto met lico da pe a 16 39 Revis o da Literatura Aplica es t picas 40 Industria autom vel Constru o de edif cios Avia o Joalharia Eletr nica Armamento Marinha Aparelhagem m dica Ind stria t xtil Figura 2 27 Exemplo de triple clamp anodizados Figura 2 28 Exemplo de componentes anodizados Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos 3 Projeto e Simulac o Numerica O design de um Triple Clamp em materiais comp sitos um compromisso entre a tecnologia inerente aos processos de fabrico e as propriedades mec nicas do material A ind stria autom vel e dos motociclos uma rea onde o baixo peso tem um grande significado e valor Os meios de transporte r pidos e modernos sao geralmente sin nimo de estruturas leves frequentemente
42. ade adequada 778 Fio roving Figura 2 22 Esquema do processo SMC 15 O composto em volume ou BMC bulk moulding compound uma mistura de fibra curta 6 a 12 mm com resina e outros componentes secund rios na forma de uma pasta muito viscosa Ao contr rio do SMC n o necess rio recorrer a uma fase de armazenamento o que torna o composto em volume mais adequado para a molda o por inje o O material tamb m pode ser processado por compress o em prensa com moldes met licos aquecidos de forma semelhante ao SMC Os compostos de BMC possuem normalmente baixos conte dos de fibra de vidro entre 10 a 2096 em volume O composto em volume BMC pode conter maior teor de cargas do que o composto em folha SMC o que torna uma op o mais econ mica mas com piores propriedades mec nicas Como o material usado no fabrico de pe as complexas geralmente nervuradas a resist ncia mec nica das pe as n o prejudicada Descri o do processo BMC 1 Inicialmente introduzida a resina os aditivos e as cargas num equipamento misturador 2 A seguir colocada a fibra que misturada rapidamente para evitar a fratura destas 3 O BMC pode ser imediatamente passado para a m quina de inje o ou para a prensa 33 Revis o da Literatura Descric o da moldac o em prensa A moldagao com compostos em prensa apresenta as seguintes etapas 1 O composto SMC em folha ou BMC em volume cortado no tama
43. amb m conhecido por mesa de dire o superior e inferior permitindo uma liga o entre os garfos a fim de orientar o motociclo A maioria dos motociclos tem triple clamps superiores e inferiores fornecendo dois pontos s lidos de fixa o da forquilha ao quadro A parte inferior dos garfos forquilhas est ligada ao eixo da frente em torno do qual a roda dianteira gira Mesa Superior Mesa Inferior Eixo Coluna de dire o Manga protetora Tubo do garfo Figura 2 11 Suspens o de forquilha telesc pica 16 Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos A forquilha telesc pica caracterizada pela baixa in rcia em volta do eixo da coluna de dire o A sua grande desvantagem representada pelas elevadas for as de atrito encontradas quando s o aplicadas for as ortogonais ao eixo sobre o qual os tubos deslizam por exemplo durante as travagens e curvas Duas limita es da forquilha telesc pica s o a impossibilidade de atingir valores de for a deslocamento progressivos e os elevados valores da massa sem suspens o que parte integral da roda Figura 2 12 Motociclo com Suspens o de Forquilha Telesc pica 17 Revis o da Literatura 2 4 1 Triple Clamps Tal como dito anteriormente os triple clamps conectam os tubos da forquilha ao quadro do motociclo fornecendo dois pontos s lidos de fixa o da forquilha ao quadro Principais especifica es
44. amentos e frequ ncias naturais foi testada a situa o de impacto na roda dianteira Nesta parte ap s a caracteriza o desta solicita o foi se aumentando as cargas aplicadas at serem atingidas as tens es de ced ncia correspondentes a cada material testado Nesta sec o do trabalho tamb m foram analisadas algumas considera es de projeto aliadas substitui o do alum nio por materiais comp sitos Na ltima parte do trabalho descrito o processo de fabrico do material comp sito escolhido Para al m da defini o do processo de fabrico foi feita uma an lise de custos Esta an lise versa apenas sobre o custo dos materiais diretos mat rias primas associados a cada processo de fabrico Esta ltima parte bastante importante para ser analisada uma vez que pode certas vezes inviabilizar uma dada solu o ou projeto Introduc o Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos 2 Revisao da Literatura Neste cap tulo ser feita uma introdu o e contextualiza o do tema da disserta o versando essencialmente sobre desenvolvimento integrado de produto aspetos cinem ticos e din micos de motociclos sistemas de suspens o dianteira materiais comp sitos e a substitui o do alum nio 2 1 Desenvolvimento Integrado de Produto Desenvolvimento integrado de produto um conjunto de atividades come ando com a perce o de uma oportunidade de mercado e acabando com a p
45. apas ao mesmo tempo A maioria dos l deres na ind stria v o processo de desenvolvimento de produto como um processo pr ativo onde os recursos s o alocados de forma a identificar mudan as no mercado e apoderar se de novas oportunidades Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos de produtos antes que elas ocorram em contraste com a estrat gia reativa em que nada feito at que os problemas ocorrem ou o concorrente introduz uma inova o Por vezes em produtos mais inovadores onde existe um grande quantidade de incerteza e mudan a que torna dif cil ou imposs vel planear o projeto completo antes de o iniciar sempre aconselhada uma abordagem mais flex vel Como este processo requer tanto conhecimento de engenharia como de marketing s o sempre necess rias equipas multidisciplinares sendo a equipa respons vel por todos os aspetos do projeto desde a gera o da ideia inicial at comercializa o final Nas ind strias onde os produtos s o tecnicamente complexos e os custos de pesquisa e desenvolvimento s o elevados por vezes existem alian as estrat gicas entre organiza es de forma a distribuir os custos proporcionando um maior rapidez no processo oA x o 8 g 3 3 O e oz X 12 o 2 E 39 Per odo de O 5 8 2 retomo 20 oS l quido ao 2 9 E q ED E 8 amp o i M Tempo
46. ara material HexMC as suas frequ ncias naturais s o ligeiramente mais baixas que as dos alum nios testados Isto importante perante o que j foi dito anteriormente uma vez que com frequ ncias naturais baixas entramos na zona de isolamento de vibra es Deste modo pode se assim afirmar que o material HexMC proporciona um melhor isolamento de vibra es transmitidas tendo em conta que a sua frequ ncia natural ligeiramente mais baixa 62 Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos 3 7 Impacto As situac es de impacto s o bastante complexas de serem traduzidas por modelos matem ticos e de se caracterizar Foi encontrado em 6 um gr fico que mostra a for a de contacto pneu dianteiro piso quando o motociclo passa por um degrau queda de 0 05 metros a 100 km h O gr fico pode ser consultado na seguinte figura Forca Contacto Pneu Dianteiro Piso N 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 Tempo s Figura 3 16 For a Contacto Pneu Dianteiro Piso durante passagem em degrau queda com 0 05 m a 100 km h Adaptado de 6 No caso da FIGURA 3 16 podemos verificar que a for a de contacto pneu dianteiro piso em estado estacion rio de cerca 1100N Entre os 0 1 e os 0 16 segundos a roda dianteira est no ar ou seja a for a de contacto com o piso igual a 0 como esperado No momento em que a roda volta a entrar em contacto com o piso a
47. araki 281100 Handa CB11008 Voxan Scramblor Triumph Eunnevillo Triumph Sprint BMW R1100GS HDFLH1200 Triumph T Bird Spark H DFLHTCUI HandaMaqna Kauaraki Voyagor Honda Hiqhthauk750 Honda 571100 Handa Maqna Handa Shadou Ace To EMWKiZO0LT Kauaraki Vulcan Drifter 1500 BMWR1150RT Suzuki Hyabura H DFLSTFA Fat Boy Tri Aprilia RS 1000 Mille Suzuki TL1000R Suzuki Bandit 600 Triumph Tigor 90 Honda Shadow VLE H DFLHR Riaad Kinq Handa Shadow Sabre Honda YTX13000 Kauaraki Vulcan Nomad Kauaraki VuleanClarric Fl Figura A 1 Valores t picos de dist ncia entre eixos 6 O trail e o ngulo rake s o especialmente importantes na medida em que eles definem as caracter sticas geom tricas da coluna de dire o A defini o das propriedades de manobrabilidade e estabilidade direcional dos motociclos dependem destas caracter sticas para al m de outras O ngulo rake varia de acordo o tipo de motociclo Desde um ponto de vista estrutural um ngulo pequeno causa uma not vel quantidade de esfor o na forquilha durante a travagem Uma vez que a forquilha bastante deform vel tanto flex o como tors o pequenos valores do angulo podem levar a esfor os elevados e por isso maiores deforma es o que pode causar vibra es perigosas no conjunto dianteiro 82 Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos Helder Marques Angulo Rake Graus 35 0 30 0 25 0 20 0
48. bra perante milhares poss veis representando de certa forma o estilo pessoal do condutor Estas considera es foram formuladas assumindo que os pneus se movem sem escorregamento Contudo na realidade o movimento dos pneus n o apenas um processo de rota o A gera o de for as longitudinais for as de condu o e travagem e for as laterais requer algum grau de escorregamento em ambas as dire es longitudinal e lateral dependendo das condi es da estrada O n mero de graus de liberdade portanto igual a sete e Movimento de avan o do motociclo e Rota o do guiador e Movimento de revolu o do eixo de intersec o dos planos do motociclo e da estrada e Escorregamento longitudinal da roda dianteira travagem e Escorregamento longitudinal da roda traseira impulso ou travagem e Escorregamento lateral da roda dianteira e Escorregamento lateral da roda traseira Revis o da Literatura 2 3 Cinem tica e Dinamica de Motociclos O estudo cinem tico de motociclos importante especialmente em rela o aos seus efeitos no seu comportamento din mico Portanto neste cap tulo para al m do estudo cinem tico ser o referidas algumas propriedades e caracter sticas do comportamento din mico de um motociclo de forma a mostrar como algumas peculiaridades cinem ticas podem influenciar a estabilidade direcional e manobrabilidade de uma moto Alguns aspetos s o abordados no ANEXO A Os movimentos de
49. com resina numa fra o m ssica de cerca de 30 com catalisadores aditivos e cargas material de enchimento na forma de uma folha pr impregnada e n o aderente O composto em folha inclui todos os componentes necess rios para a molda o final O processo de moldagem por compress o em prensa em moldes met licos aquecidos ou por inje o menos vulgar torna poss vel a produ o de pe as Existem tr s tipos de SMC 1 32 SMC STANDARD massa espec fica de 1900 kg m redu o de massa relativamente a pecas equivalentes de aco da ordem dos 55 SMC DE BAIXA DENSIDADE massa espec fica de 1300 kg m usam me esferas ocas de vidro como carga redu o de massa relativamente a pe as equivalentes de aco da ordem dos 75 SMC LITE massa espec fica de 1600 kg m conseguida usando carboneto de calcio como aditivo redu o de massa relativamente a pe as equivalentes de aco da ordem dos 65 Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos Descric o do processo SMC 1 A fibra de vidro ou carbono cortada a partir de fio roving em peda os com comprimento entre 25 e 50 mm e misturado com resina e outros componentes 2 A mistura confinada entre duas camadas finas de pl stico e compactada de forma a garantir a completa impregna o do refor o 3 O conjunto enrolado e os rolos s o armazenados por alguns dias para permitir que o composto atinja uma viscosid
50. deradas in meras vari veis e restri es verificando se ou n o vi vel seguir por uma determinada via Para este caso foi estudada a viabilidade da introdu o de um composto de molda o baseado em pr impregnados de fibra de carbono HexMC cuja resist ncia espec fica um dos seus maiores pontos de vantagem em rela o aos alum nios Foram estudadas algumas das situa es t picas durante uma viagem de motociclo acelera o m xima travagem m xima na roda dianteira travagem m xima na roda traseira curva e impacto Dentro deste grupo aquelas que acarretam maiores esfor os ao conjunto dianteiro s o as situa es de travagem m xima na roda dianteira e de impacto Para determinar as tens es e deslocamentos no componente foi utilizado o software de elementos finitos Abaqus N o menos importante tamb m a defini o dos processos de fabrico que devem ter em conta todas as considera es de projeto inerentes substitui o do alum nio por este composto de molda o Aliada aos processos de fabrico tamb m deve ser feita uma an lise de custos de forma a verificar a viabilidade do projeto Resumo Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos Abstract In current times there is a growing demand for lightweight structures In the field of automobile and motorcycle industry this reduction is related to the increasing fuel prices A decrease in the overall weight of a ve
51. dire o Triple Clamps para motociclos 1 Introdu o O presente trabalho de disserta o surge no t rmino do Mestrado Integrado em Engenharia Mec nica O seu principal mbito o estudo da introdu o de materiais comp sitos em componentes de motociclos nomeadamente em triple clamps vulgarmente conhecidos por mesas de dire o Em primeiro lugar foram feitas diversas pesquisas de modo a criar um levantamento de toda a informa o acerca de motociclos a sua cinem tica din mica e os seus constituintes focalizando a aten o sobre o sistema de suspens o dianteira Deste modo foi poss vel obter uma boa perce o sobre qual o papel do componente a analisar na estrutura do motociclo Seguidamente foi realizada uma incurs o pelos materiais comp sitos seus processos de fabrico inerentes e uma eventual substitui o do alum nio por estes materiais Em segundo lugar e j com uma ideia global sobre o comportamento do motociclo foram analisadas as for as externas que atuam sobre este durante os seus movimentos t picos Ap s determina o da situa o que acarreta uma maior solicita o do conjunto dianteiro procedeu se cria o do modelo de elementos finitos para simula o num rica em Abagus Este modelo consiste na geometria 3D do componente com a consequente defini o das condi es de fronteira e cargas aplicadas Ap s recolha e interpreta o de resultados nomeadamente tens o de Von Mises desloc
52. do s mudan as de dire o Estas podem ser interpretadas como for as centr fugas no quadro do motociclo e no condutor As for as girosc picas que atuam em pe as tais como rodas motor transmiss o etc s o provocadas pela in rcia destas pe as em rota o For as Internas As for as internas s o na maioria dos casos causadas pelo condutor ou pelo atrito O atrito existente entre as pe as que se movem umas contra as outras transmiss o mecanismo de dire o e quadro etc Para al m dos trav es que criam atrito entre as rodas em rota o e as pe as do quadro em n o rota o a maioria dos motociclos t m suspens o dianteira e traseira de forma a dissipar energia indesej vel 2 3 2 Movimentos Os movimentos de um motociclo podem ser agrupados em dois tipos aqueles fora do plano de simetria laterais e aqueles no plano central de simetria longitudinal ou vertical Movimentos laterais incluem o equil brio inclina o dire o controlo e viragem Movimentos no plano central de simetria incluem o movimento para a frente de avan o paragem e sobretudo situa es que envolvam a ativa o da suspens o Estes dois tipos de movimentos podem ser tidos como linearmente desassociados entre si Por exemplo um motociclo lateralmente inst vel quando est parado e pode ser lateralmente auto est vel quando se desloca sob as condi es certas Por outro lado um motociclo longitudinalmente est vel quando estacion
53. dor de um posto de vista simples um absorvedor de energia O movimento do amortecedor provoca resist ncia mec nica mas ao contr rio das molas n o tem tend ncia para retomar a sua posi o inicial e portanto utiliza trabalho ou energia que dissipada sob a forma de calor Esta perda de energia necess ria para prevenir oscila es n o controladas da suspens o Vamos supor que um grande solavanco na estrada comprimiu totalmente o amortecedor nesse instante a energia armazenada na mola como energia potencial medida que a mola retorna ao seu comprimento est tico esta energia transferida que caso n o houvesse amortecimento seria totalmente transferida para a massa do motociclo sob a 14 Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos forma de energia cin tica Isto faria com que a suspens o se estendesse para al m da sua posi o normal A introduc o do amortecimento ir absorver uma parte ou a totalidade da energia transmitida para a suspens o pelas irregularidades da estrada e consequentemente a oscila o ir ser reduzida ou eliminada dependendo do grau de amortecimento Como a energia absorvida pelo amortecedor transformada em calor Suspens es como as dos motociclos de motocross poder o por vezes sobreaquecer Massa suspensa e n o suspensa Um motociclo com suspens o desde um ponto de vista din mico pode ser considerado como um corpo r gido conectado
54. dos Ao contr rio da molda o em autoclave o uso de moldes met licos fornece superf cies dimensionalmente controladas em ambos os lados do componente O ingrediente essencial para moldar este tipo de pr impregnado aplicar press o ao composto de moldag o de forma a que a resina e a fibra se movam como um s Se a resina demasiado espessa ou fina para fluir e mover a fibra ent o o molde nao ser totalmente preenchido resultando numa m qualidade do componente Inversamente no processo de autoclave para pr impregnados de fibras cont nuas desejada a resina com mais baixa viscosidade de modo a que o ar aprisionado possa ser removido a baixas press es 14 Componentes feitos desde pr impregnados de fibras curtas unidirecionais apresentar o a mesma performance que comp sitos de fibra cont nuas processados por lamina o manual hand layup no que diz respeito a a es efeitos inesperados Muito do ganho de performance obtido nos pr impregnados de fibra curta prov m da sua baixa sensibilidade aos tradicionais efeitos inesperados impacto choque Uma vez que os pr impregnados de fibra curta t m falhas inerentes devido concentra o de tens es nas extremidades das fibras as perdas adicionais de propriedades devido a furos absor o de humidade etc s o m nimas Para al m disto esta forma de material pode ser transformada em formas geom tricas complexas 14 Este tipo de material pode ter uma vantage
55. e Motorcycle Dynamics 2006 3 The stability of the bicycle Jones David E H 4 s l Physics Today 1970 Vol 23 pp 34 40 4 A bicycle can be self stable withoy gyroscopic or caster effects J D G Kooijman J P Meijaard J M Papadopoulos A Ruina and A L Schwab s l Science 2011 Vol 332 pp 339 342 5 Single Track Vehicle Modeling and Control Bicycles Motorcycles and Models Limebeer D J e Sharp R S s l IEEE Control Systems Magazine 2006 pp 34 61 6 Foale Tony Motorcycle Handling and Chassis Design The Art and Science 2002 7 Motorcycle rake trail and offset explained Online http bikearama com theory motorcycle rake trail explained 8 Alessandro Airoldi Simone Bertoli Luca Lanzi Marco Sirna Giuseppe Sala Design of a Motorcycle Composite Swing Arm by Means of Multi objective Optimisation Aplplied Composite Materials 2012 Vol 19 3 4 pp 599 618 9 Moreira Anabela Mendes Materiais de Constru o Materiais Comp sitos Apontamentos da Disciplina s l Instituto Polit cnio de Tomar 2008 2009 10 Materiais Comp sitos Slides da disciplia Freitas Manuel e Silva Arlindo s l Instituto Superior T cnico 11 Gay Daniel e V Hoa Strong Composite Materials Design and Applications 2007 12 Composite structures for automobiles Beardmore P s l Composite Structures 1986 Vol 2 pp 163 176 13 Design and production of composites in the automotive ind
56. e a proceder a alguns ajustes o que ir aumentar o preco final da peca No processo de molda o por compress o n o existe desperd cio de material o que uma das suas principais vantagens Outra vantagem apesar do custo da mat ria prima o facto de o produto ap s molda o n o necessitar de mais opera es Sendo assim o pre o da mat ria prima por pe a de 31 08 Moldac o por Massa Necess ria kg Pre o Mat ria Prima Peca compressao 0 296 31 08 Tabela 4 6 Pre o Mat ria Prima Peca para processo de molda o por compress o 74 Helder Marques Design de mesas de direc o Triple Clamps para motociclos 5 Discussao de Resultados e Trabalhos Futuros Uma das principais dificuldades no presente trabalho foi a caracteriza o das cargas a aplicar no modelo de elementos finitos para simula o num rica Especialmente devido ao facto do componente testado pertencer a um conjunto onde se integra a suspens o do motociclo com as suas caracter sticas espec ficas de rigidez e amortecimento As situa es de impacto tamb m s o dif ceis de caracterizar sendo talvez o m todo utilizado n o muito adequado Contudo deu para se obter uma primeira impress o dos valores que se podem atingir Ao n vel dos materiais deveriam ser testadas outras possibilidades de materiais cujo custo da mat ria prima fosse mais baixo e que fossem vi veis de produzir por outros process
57. echanical Systems and Signal Processing 2012 Vol 31 pp 298 315 26 Rodrigues Jos Dias Apontamentos de Vibrac es de Sistemas Mec nicos Porto FEUP 27 Lanema ALUM NIOS T CNICOS Online http www lanema pt 28 Yamaha User Manual Yamaha Ri 2000 Online http www yamaha motor com assets service manuals 2000 lit 11626 13 46 112 pdf 29 O Dea Nigel Motorcycle swingarm redesigned in carbon composite Reinforced Plastics Novembro Dezembro de 2011 pp 38 41 30 Oyaga Mikel Burgui e Rubio Alfred Urs a Analysis and Design of a Motorbike Chassis Pamplona Escuela T cnica Superior de Ingenieros Industriales y de Telecomunicaci n 2011 31 Dwyer Forrest Shaw Adrian e Tombarelli Richard Material and Design Optimization for an Aluminum Bike Frame s l WORCESTER POLYTECHNIC INSTITUTE 2012 32 Linearized dynamics equations for the balance and steer of a bicycle a benchmark and review J P Meijaard J M Papadopoulos A Ruina and A L Schwab 2084 2007 Proc R Soc A 2007 Vol 463 pp 1955 1982 33 International Standard Mechanical vibration and shock Evaluation of human exposure to whole body vibration 34 Hexcel Brochura HexMC Online http www hexcel com Resources DataSheets Brochure Data Sheets HexMC pdf 80 Helder Marques Design de mesas de direc o Triple Clamps para motociclos Anexo A Par metros geom tricos de um motociclo Os par metros geom tricos mais
58. em a o ao carbono A superficie do molde pode ser revestida em n quel ou cromada para um timo acabamento superficial O design do molde e a sua tecnologia de fabrico s o bastante semelhantes s usadas para o processamento do SMC Existem v rias combinag es de temperatura e tempos de cura mas na maioria dos casos utilizada a maior temperatura de cura poss vel de forma a minimizar o tempo do material na prensa e consequentemente minimizar o tempo de produ o As caracter sticas que podem afetar o tempo de molda o s o a espessura da pe a e a instala o da pr forma Os insertos met licos necess rios s o integrados no processo de molda o evitando assim processos adicionais O ciclo t pico de cura para por exemplo um componente com espessura de 4 mm dado pela seguinte tabela Tabela 4 1 Temperatura e tempo de cura para o HexMC para espessura de 4 mm 23 69 Processos de Fabrico e An lise de Custos 70 Figura 4 1 Etapas do processo de fabrico do HexMC Adaptado de 24 Helder Marques Design de mesas de direc o Triple Clamps para motociclos Etapas do processo de fabrico 1 O HexMC fornecido em rolo Deve ser retirado da c mara frigor fica e permitir que aqueca at temperatura ambiente para um mais f cil manuseio Ap s remogao do filme protetor o material cortado e pesado conforme as necessidades do componente a produzir Dependendo do componente a ser moldado
59. esse no uso de materiais comp sitos Por exemplo no dominio da avia o comercial as principais preocupa es dos fabricantes de avi es s o a performance e os fatores econ micos As principais caracter sticas de um material comp sito incluem e Redu o de peso que leva a uma redu o no consumo de combust vel e Aumento das cargas a utilizar e Boa resist ncia fadiga que leva a uma vida mais prolongada envolvendo uma redu o no custo a longo termo do produto e Boa resist ncia corros o significando menos necessidade de inspe o e consequente redu o na manuten o Exceto no caso de contacto do alum nio com fibras de carbono onde uma rea o galv nica provoca r pida corros o e N o apresentam ced ncia os limites el sticos correspondem aos de rutura e N o s o sens veis maioria dos qu micos usados em motores lubrificantes leo tintas e solventes petr leo etc e Apresentam uma excelente resist ncia ao fogo Contudo o fumo emitido pela combust o de algumas matrizes pode ser t xico 11 2 5 3 Exemplos de substitui o de solu es convencionais por materiais comp sitos A seguinte tabela mostra alguns casos significativos que ilustram as melhorias a n vel de pre o e performance que podem ser obtidas depois da substitui o de uma determinada solu o convencional por materiais comp sitos Soluc o convencional Soluc o em Comp sitos Estabilizador para
60. esvantagens e Produtividade elevada e RRIM tem custos de m o de obra baixos mas propriedades mec nicas m dias 30 Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos e O SRIM tem custos de m o de obra mais elevados mas boas propriedades mec nicas e Equipamento menos dispendioso que outros processos de cad ncia elevada Aplica es e O mercado autom vel representa o mais importante campo de aplica es para as pe as obtidas por este processo nomeadamente em pain is de instrumentos e em prote es inferiores do carro e Muitos componentes para cami es s o tamb m produzidos por RIM tais como amortecedores pain is frontais e grelhas b Molda o por transfer ncia de resina RTM Alguns autores designam tamb m o RTM mais vulgarmente por VaRTM Vacuum Assisted Resin Transfer Molding o processo de molde aberto que design mos por molda o por inje o de resina Descri o do processo e Para um bom acabamento come a se por aplicar uma camada de gel ao molde e O refor o preparado como pr forma montado no interior de uma molda o fechada e Fecha se o molde que em certos casos pode ser aquecido e A resina com baixa viscosidade e misturada com um catalisador injetada sob relativamente baixa press o para o interior da cavidade em certos casos aplica se vacuo e Aguarda se a cura da pe a e Retira se a pe a Refor o Molde fechado Figura 2
61. fabrico eficazes Neste momento podem se ter duas considera es crescente tend ncia pela substitui o de componentes met licos por componentes comp sitos e as tecnologias e processos de fabrico emergentes tais como o RTM ou o VaRTm que permitem uma mais r pida e menos dispendiosa produ o 8 Uma das maneiras de substituir o alum nio por materiais comp sitos atrav s da utiliza o de compostos de molda o constitu dos por pr impregnados com fibras curtas distribu das aleatoriamente Esta solu o apresenta uma grande possibilidade de escolha a n vel do tamanho e largura das fibras flexibilidade na sele o da resina e eventualidade de serem feitas pr formas Oferecem outra forma de material a ser considerada pelos engenheiros ligados aos materiais comp sitos Algumas raz es atrativas s o a igualdade de performance custos totais mais baixos e uma mais f cil transi o desde o alum nio comparando com os comp sitos de 27 Revis o da Literatura fibras cont nuas Este tipo de material tanto pode ser fornecido na forma de volume na forma de fibras soltas ou na forma de folha tapete enrolado Figura 2 18 Pr impregnado sob a forma de volume esquerda e sob a forma de folha direita Sao tipicamente moldados a temperaturas constantes em moldes met licos A cura isot rmica otimiza o uso do equipamento atrav s da elimina o do aquecimento e arrefecimento em rampa associado aos pr impregna
62. face de forma a n o se criar rea o galv nica com o carbono Com esta substitui o dos componentes de interface n o haver t o grande necessidade de coloca o de insertos met licos diminuindo assim o custo global do componente Quando se fala em componentes de interface nesta caso est a fazer se refer ncia aos tubos da forquilha e eixo da coluna de dire o Uma boa possibilidade de estudo seria uma suspens o dianteira integralmente feita em comp sitos com fibra de carbono ou outros materiais comp sitos adequados situa o Ao n vel do trabalho realizado uma das principais dificuldades foi a realiza o de simula es em elementos finitos uma vez que as situa es de impacto s o bastante dif ceis de se caracterizar e modelizar A informa o existente para a an lise deste tipo de solicita es bastante escassa contudo os principais objetivos do trabalho foram cumpridos Quanto a trabalhos futuros importante tentar avaliar as cargas existentes no componente nas diversas situa es durante uma viagem refinar melhorar o modelo de elementos finitos testar o componente fadiga verificar a possibilidade de redesign e melhorar o modelo de an lise de custos 77 Conclus es 78 Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos Refer ncias 1 Universidade Federal de Santa Catarina UFSC N cleo de desenvolvimento integrado de produtos Slides 2 Cossalter Vittor
63. gs 1 Outboard flap Inboard flap i Stub upper panel Radome t A 4 Spoilers L Horizontal stabilizer Fairing tip Shrouds Sliding plates NLG bay cover NLG door i d Wing to fuselage fairing Filet leading edge Engine nacell panels MLG door Ventral speed brake Figura 2 17 Vista explodida do BEM 170 mostrando os componentes fabricados em comp sitos polim ricos avangados Embraer 26 Helder Marques Design de mesas de direc o Triple Clamps para motociclos 2 5 5 Substitui o do alum nio por materiais comp sitos Os potenciais benef cios da introdu o de comp sitos na ind stria autom vel e dos motociclos tem sido exaustivamente estudada em diversos estudos 12 e 13 explorando a poss vel adapta o das caracter sticas do material e da sua elevada efic cia estrutural A possibilidade de redu o de peso entre 30 e 50 no que diz respeito s cl ssicas solu es met licas foi encontrada em v rias aplica es tais como eixos de transmiss o bra os de suspens o e chassis de autom veis Processos como Sheet Moulding Compound SMC Resin Injection Moulding RIM ou Resin Transfer Moulding RTM t m sido encontrados particularmente adequados para a produ o em massa no campo autom vel Estas tecnologias s o tamb m promissoras em termos de custo de produ o uma vez que permitem o fabrico de pe as de grande po
64. gt 3 as curvas de transmissibilidade sao praticamente id nticas para um n amortecimento amp lt 0 2 20 de modo que nesta zona a transmissibilidade de for a ou do movimento da base praticamente independente do amortecimento Mediante esta an lise pode se concluir que se deve proceder ao design dos componentes de suspens es de motociclos atendendo ao facto de que estes devem possuir frequ ncias naturais baixas Com frequ ncias naturais baixas mediante as diversas frequ ncias de excita o que um motociclo sofre consegue se um melhor isolamento de vibra es e consequente melhor conforto para o condutor Na FIGURA 3 15 podem ser consultadas as cinco primeiras frequ ncias naturais do componente o Al6061 Al7075 e HexMC obtidas atrav s do software Abaqus As frequ ncias do Al6061 e do AI7075 s o id nticas uma vez as suas densidades s o aproximadamente iguais e a geometria do componente igual em ambos os casos 61 Projeto e Simulac o Num rica 6 5 E E E E L1 E E L E 5 3 E Z E L1 FE I I FA E P E L L E E 5 1 L 1 L o EA E L1 E 1 E 1 co co co m E E Frequ ncias oF Al6061 m Frequ ncias Naturais HexMC Figura 3 15 Frequ ncias naturais Al 6061 e HexMC Da an lise da figura anterior pode se observar que nos dois casos as frequ ncias obtidas s o baixas P
65. hicle results in lower fuel consumption and consequent reduced environmental impact Thus there is a need to replace conventional solutions with solutions with lighter materials which have the same performance This leads to the interest in the use of composite material in primary structures of vehicles including fiberglass and carbon fiber The present study is related to the possibility of introducing composite material in a component that belongs to the front suspension of motorcycles Since the original component is made of aluminum it makes the task even more challenging since its structural efficiency is high In this type of study it should be considered several variables and constraints checking whether it is feasible to follow a given path For this case it was studied the viability of introducing a molding compound based on pre impregnated chopped carbon fiber HexMC whose specific resistance is one of its biggest points of advantage over aluminum Some of the typical situations during a motorcycle trip have been studied maximum acceleration maximum braking on the front wheel maximum braking on the rear wheel turn and impact From this group those that lead to bigger efforts in the front assembly are the situations of maximum braking on the front wheel and impact To determine the stresses and displacements in the component the finite element software Abaqus was used No less important is also the definition of manufacturing proce
66. ia prima componentes secund rio material de embalagens e M o de obra direta o custo de qualquer trabalho executado no produto alterando a forma e natureza do material de que se comp e Ex gasto total com sal rios e encargos com a m o de obra relacionada diretamente ao produto e Custos indiretos de fabrico s o os outros demais custos necess rios para a opera o da f brica Ex materiais indiretos m o de obra indireta energia el trica seguro e aluguer da f brica deprecia o de m quinas A an lise feita ir apenas incidir sobre a componente dos materiais diretos nomeadamente sobre o custo da mat ria prima em cada processo O pre o dos alum nios foi obtido junto da empresa Lanema e do HexMC junto da empresa Hexcer Preco kg Al 6061 T6 6 60 Al 7075 T6 7 80 HexMC 105 Tabela 4 2 Pre o kg de cada material testado HRS Massa Componente kg Al 6061 T6 0 516 Al 7075 T6 0 537 Tabela 4 3 Massa final do componente para cada material testado 72 Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos Como se pode observar atrav s da TABELA 4 3 existe uma redu o bastante significativa na massa do componente Em rela o ao Al6061 T6 existe uma redu o de 42 6 e no AI7075 T6 de 44 9 De forma a poder maquinar o componente necess ria uma placa com as seguintes dimens es 269 92 x 112 95 x 41 mm Figura 4 2 Placa nece
67. idas com as dimens es finais ou pr ximas da final mas normalmente estas pecas precisam sofrer opera es complementares para chegar s dimens es finais com a toler ncia dimensional especificada A toler ncia utilizada para garantir a funcionalidade do produto e principalmente permitir o interc mbio das pe as De um modo geral os processos de fundi o ou conforma o n o podem produzir de forma economicamente vi vel o produto na sua totalidade Um aspeto importante na sele o de processos de fabrico determinar as partes a serem geradas em cada processo e com que toler ncia de modo a minimizar os custos de fabrico A maquinagem propriamente dita um processo de fabrico com arranque de apara Este processo permite a produ o de pe as com formas complexas com apertadas toler ncias geom tricas e dimensionais e tamb m com um bom acabamento superficial A utiliza o da tecnologia CAD CAM aceleraram o fabrico e tamb m tornam o processo de maquinagem mais flex vel facilitando altera es de projeto ou fabrico adequadas s necessidades de componente Escolha dos par metros de maquinagem Importa o da geometria do sistema CAD Gera o dos caminhos de corte em CAM Simula o da trajetoria da ferramenta P s processam ento Comunica o m quina CNC Figura 2 26 Sequ ncia de opera es CAD CAM 38 Helder Marques Design de mesas de direc o Trip
68. imeiro termo carga est tica na roda depende da distribui o do peso b Nsa mg 2 3 3 b p Ni mg X 3 4 e O segundo termo transfer ncia de carga diretamente proporcional for a motriz T e altura h do centro de gravidade e inversamente proporcional dist ncia entre eixos p h 43 Projeto e Simulac o Num rica h A relac o normal p num motociclo varia entre 0 3 e 0 45 Figura 3 1 Esquema de for as acelera o m xima Adaptado de 17 Tal como dito anteriormente a condi o de m xima acelera o quando a roda da frente perde o contacto com o piso Esta condi o traduzida por x en mgx p p 3 6 Portanto foem 8 7 44 Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos 3 1 2 M xima Travagem na Roda Dianteira Este caso similar ao da acelerac o m xima Travagem m xima na roda dianteira quando a roda traseira se come a a levantar do ch o Esta condi o traduzida por Mem gt emma p 3 9 Portanto Na mg 3 10 b dias La 8 11 Figura 3 2 Esquema de forgas m xima travagem na roda dianteira Adaptado de 17 3 1 3 M xima Travagem na Roda Traseira De modo a poder avaliar o papel do trav o traseiro durante o ato de travagem no limite do escorregamento preciso levantar alguns pontos em rela o s for a
69. ios conceitos e solu es a serem estudadas tais como geometria cinem tica din mica impacto Portanto neste projeto v o ser tomadas algumas hip teses simplificativas de forma a poder ser atingido o objetivo do trabalho Hip teses simplificativas Considerar suspens o r gida Apesar de assim o valor das forcas que atuam nos triple clamps serem maiores uma vez que a suspens o n o est a funcionar o componente vai ser verificado em condi es cr ticas Logo se corresponder nestas condi es certamente ir corresponder em circunst ncias normais Todas as massas do motociclo est o concentradas no centro de gravidade deste O centro de gravidade do motociclo ser igual ao do quadro O centro de gravidade nunca est fixo uma vez que o condutor se mexe durante a sua condu o Quando est a acelerar vai para a parte traseira enquanto aquando da travagem transfere se para a parte dianteira al m disso durante as curvas viragens transferido para baixo Tamb m o n vel de combust vel afeta o centro de gravidade Neste projeto o centro de gravidade ir ser considerado constante A transfer ncia de carga durante a acelera o e travagem considerada constante O piso considerado plano e em boas condi es por isso as for as produzidas por irregularidades na estrada n o v o ser tidas em conta porque s o muito dif ceis de caracterizar e cada uma tem a sua particularidade espec fica
70. iso deixa tr s graus de liberdade livres Se considerarmos a hip tese de rolamento puro dos pneus na estrada piso como sendo v lida f cil de indagar que cada roda s pode girar em torno e Do ponto de contacto com o plano da roda movimento para a frente e Do eixo de intersec o dos planos do motociclo e da estrada movimento de revolu o e Do eixo que passa atrav s do ponto de contacto do centro da roda rota o Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos Em conclus o o n mero de graus de liberdade de um motociclo igual a 3 dado que 15 graus de liberdade est o inibidos pelos 3 eixos de revolu o e os 6 graus de liberdade eliminados pelos 2 pontos de contacto roda piso devem ser subtra dos dos 24 graus de liberdade dos 4 corpos r gidos Os tr s graus de liberdade de um motociclo devem ser associados com tr s movimentos principais e Movimento para a frente representado pela rota o da roda traseira e Movimento de revolu o rota o em torno da linha que junta os dois pontos de contacto no plano do piso estrada e Rota o da dire o Enquanto conduz o condutor gere estes tr s movimentos principais de acordo com o seu estilo pessoal e per cia O movimento resultante do motociclo e a correspondente trajet ria dependem da combina o no dom nio do tempo dos 3 movimentos principais relacionados com os 3 graus de liberdade Esta combina o gera uma mano
71. itos 9 esses 22 Tabela 2 3 Principais requisitos de uma matriz 9 23 Tabela 2 4 Exemplos de substitui o de solu es convencionais por materiais comp sitos Adaptado de 11 25 Tabela 3 1 Resumo de for as externas sse nnne 48 Tabela 3 2 Composi o qu mica Al 6061 20 sse 51 Tabela 3 3 Propriedades Mec nicas e T rmicas Al6061 T6 20 51 Tabela 3 4 Composi o qu mica Al 7075 21 sse 52 Tabela 3 5 Propriedades Mec nicas e T rmicas AI7075 T6 21 52 Tabela 3 6 Propriedades HexMC 23 53 Tabela 3 7 Resultados obtidos para o caso de travagem m xima na roda dianteira 58 Tabela 3 8 Deslocamento no caso de travagem m xima na roda dianteira para os v rios materials 32 2 a ete deen MER Melee 59 Tabela 3 9 Resultados obtidos para o caso de 63 Tabela 3 10 Resultados obtidos para situa o de impacto via processo iterativo 64 Tabela 3 11 Resultados obtidos para o caso de for a de impacto m xima 65 Tabela 3 12 For a de impacto For a de contacto em regime estacion rio 66 Tabela 4 1 Temperatura e tempo de cura para o HexMC para espes
72. je em dia atrav s dos softwares de simula o num rica este processo bastante mais simplificado intuitivo e f cil de utilizar No caso do presente trabalho o software utilizado foi o Abaqus Contudo importante de se perceber que os resultados finais obtidos pelos softwares de elementos finitos n o s o a situa o real sendo apenas uma aproxima o dependendo das decis es do engenheiro projetista Os resultados finais podem ser mais ou menos precisos obtidos de uma forma mais ou menos r pida dependendo da capacidade do computador em processar as diversas opera es Os programas de elementos finitos apresentam diferentes passos no seu processo global para ser obter os resultados finais e Necess ria uma geometria para ser analisada Neste caso a geometria foi realizada no software SolidWorks e posteriormente importada para a rea de trabalho do Abagus e Definir o material do componente nas suas v rias sec es e o tipo de elemento Casca Comp sito ou Homog neo e Definir o tipo de estudo a ser feito Caso Est tico ou Din mico e Definir as condi es de fronteira ou seja especificar onde n o existe deslocamento ou outras condi es e Colocar as for as externas no componente e Definir a malha da geometria a analisar e Submeter os dados e recolher os resultados da an lise Este processo iterativo uma vez que por vezes temos que voltar a definir alguns par metros e otimizar o processo de forma ao
73. le Clamps para motociclos Os processos de maquinagem possuem as seguintes vantagens S o relativamente mais precisos que os processos de conforma o e fundi o Podem produzir geometrias complexas que s o dif ceis de serem obtidas por outros processos Sao adequados para operag es posteriores aos tratamentos t rmicos para corrigir distor es causadas por estes Podem gerar superf cies com padr es especiais Dependendo do tamanho do lote para lotes pequenos mais econ mico produzir as pecas por maquinagem Por outro lado apresenta as seguintes limita es ou desvantagens Maior gasto de mat ria prima trabalho tempo e energia N o melhora e pode at degradar as propriedades mec nicas da pe a c Anodiza o A anodiza o consiste num processo eletrol tico O metal a anodizar ligado a um polo el trico positivo e mergulhado num banho eletrol tico Neste processo o metal a anodizar transformado no nodo eletrol tico formando se sua superf cie um xido que ser a pel cula protetora O polo negativo ligado a uma pe a de carbono a o inoxid vel ou outro metal n o sens vel rea o c todo Este processo de anodiza o pode ser aplicado a v rios metais A anodiza o do alum nio conduz forma o do xido de alum nio convertendo a superf cie do alum nio numa superf cie extremamente dura com as seguintes propriedades Resist ncia corros o Resist nci
74. luna de dire o 75 Discuss o de Resultados e Trabalhos Futuros 76 Etapa A Triple Clamps instrumentados nas zonas criticas Sujeitar o motociclo a v rias situa es Avaliar as cargas obtidas Etapa B Refinar o modelo de simula o num rica Teste do material comp sito selecionado Etapa Ensaio de fadiga do componente Compara o dos alum nios com a solu o em materiais comp sitos Etapa D Verificar a possibilidade de redesign do componente Figura 5 1 Etapas para trabalhos futuros Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos 6 Conclusoes Como uma nova forma de material os compostos de molda o baseados em pr impregnados de fibra curta apresentam uma boa solu o na substitui o do alum nio No caso do presente trabalho o composto de moldac o HexMC oferece uma boa oportunidade de substituir o Al 6061 T6 neste tipo de componente alcancando uma boa economia no peso mas mantendo os requisitos de resist ncia do material As capacidades de molda o e os elevados requisitos de resist ncia fazem do HexMC um bom candidato para atender s especificidades da substituic o do alum nio Uma das suas desvantagens o elevado custo da mat ria prima o que poder inviabilizar a sua utiliza o Com a crescente demanda na utiliza o de comp sitos em aplica es estruturais h uma real necessidade de substitui o dos componentes de inter
75. m sobre os pr impregnados de fibras cont nuas orientadas quando se trata de produtividade do trabalho Para geometrias simples mais r pido criar um tapete de fibra curta distribu da aleatoriamente do que orientar um pr impregnado de fibra cont nua utilizado em molda o manual em v cuo 14 A n vel de custos os pr impregnados de fibra cont nua apresentam duas opera es exigentes lamina o saco de v cuo e ades o das fibras enquanto que os pr impregnados 28 Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos de fibras curtas apresentam duas opera es menos rigorosas fabrico do tapete e pr forma Para al m disso requisitos de p s processamento tais como aparar as bordas perfurar instalar insertos etc podem ser atingidos atrav s da molda o Eliminar estas opera es reduz ainda mais os custos originando um custo global mais baixo 14 Os pr impregnados de fibras curtas s o mais adequados para a substitui o do alum nio devido sua capacidade de molda o 3D importante verificar algumas vantagens e desvantagens de design e processo de forma a alcan ar o melhor custo final e performance do componente contudo este processo menos exigente que um processo de redesign total sendo apenas necess rio considerar algumas modifica es menores na pe a 14 Figura 2 19 Exemplo de substitui o do alum nio por pr impregnado de fibras curtas 14 29
76. nario ataci ete eat recte eda 87 C 2 Acelera o M xima e etit eiit hee teli deed 88 C 3 M xima travagem na roda dianteira tanta 88 C 4 M xima travagem roda traseira essen 89 5 Quando o motociclo est em 0 90 ANEXO D C LCULO DE FOR AS PARA APLICA O NO SOFTWARE DE ELEMENTOS FINITOS 91 D 1 M xima travagem na roda dianteira arara 91 D 2 Impactor dust tes Dea Gente USO USt es 94 viii Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos Lista de Figuras Figura 2 1 Desenvolvimento de Produto e a sua multidisciplinariedade 3 Figura 2 2 Exemplo de variantes de produtos 4 Figura 2 3 Exemplos de produtos inovadores 4 Figura 2 4 Exemplo de produto criativo nennen 5 Figura 2 5 Ciclo de vida de um produto num ponto de vista econ mico 1 5 Figura 2 6 Desenvolvimento integrado de produto e as suas etapas Adaptado de 1 7 Figura 2 7 Estrutura Cinem tica de um Motociclo Adaptado de 2 8 Figura 2 8 Exemplos de molas helicoidais 14 Figura 2 9 Modelo de Sistema de Suspen
77. nho necess rio para a peca e pesado 2 O composto introduzido numa ferramenta aquecida entre 100 C e 175 C montada numa prensa 3 A prensa fechada exercendo uma press o que varia entre 1 e 8 MPa de onde a forca total variar entre 300 e 400 toneladas conforme a necessidade da peca e a capacidade da prensa 4 Devido press o e temperatura que Ihe diminui a viscosidade o composto forcado a preencher todo o molde 5 Aguarda se a cura da pe a que vulgarmente varia entre menos de 1 e 5 minutos 6 Abre se a prensa e retira se a pega manualmente ou com o aux lio de ejetores Molda o fechada Descri o da molda o por inje o Figura 2 23 Esquema do processo de molda o em prensa 15 1 O composto em volume ou BMC introduzido na forma de uma massa viscosa no alimentador da m quina de inje o 2 Um atuador hidr ulico ou um fuso de Arquimedes empurra a mistura atrav s do corpo aquecido da m quina e injeta a sob press o 30 a 80 MPa num molde fechado igualmente aquecido 3 A mistura aquecida a uma temperatura pr xima da temperatura de cura diminui a viscosidade e flui facilmente atrav s dos canais de enchimento para a cavidade do molde 4 O acumular de calor durante o processo controlado de forma a minimizar o tempo de cura 5 Ap s a cura e eje o a pe a necessita de poucos acabamentos 34 Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos
78. ntar a roda do ch o sob uma determinada acelera o ou desacelera o 2 3 1 For as Se o condutor e o motociclo forem considerados como sendo um nico sistema as for as que atuam nesse sistema e as suas componentes podem ser divididas em dois grupos for as internas e for as externas As for as externas s o devido gravidade in rcia contacto com o solo e com a atmosfera As for as internas s o causadas pelo condutor e pela intera o entre componentes For as Externas Tal como acontece com todas as massas a gravidade puxa o piloto e todos os componentes do motociclo para a terra Em cada superf cie de contacto do pneu existem for as de rea o do solo com componente horizontal e vertical As componentes verticais 10 Helder Marques Design de mesas de direc o Triple Clamps para motociclos maioritariamente agem contra a forca da gravidade mas tamb m variam com a acelerag o e travagem As componentes horizontais devido ao atrito entre as rodas e o solo incluindo a resist ncia ao rolamento s o em resposta s for as de propuls o de travagem e de viragem As for as aerodin micas devidas atmosfera s o na sua maioria sob a forma de arrasto mas tamb m podem ser devido ao vento lateral A velocidade elevada o arrasto aerodin mico torna se esmagadoramente a maior for a que faz resist ncia ao movimento As for as devido viragem s o geradas durante as manobras de equil brio e tamb m devi
79. o de um determinado produto t m que se identificar as necessidades do cliente e rapidamente criar produtos que as satisfa am a baixo custo sempre com a perspetiva de gerar lucro para quem vende produz 1 Caracter sticas para um desenvolvimento de produto bem sucedido Capacidade de produzir e vender produtos com lucro Qualidade do produto Custo do produto Tempo de desenvolvimento Custo de desenvolvimento Capacidade de desenvolvimento Existem diversos m todos de projeto mas todos seguem uma estrutura b sica Observa o e an lise Defini o do problema pesquisa defini o de objetivos e restri es Planear e projetar gera o de op es de projeto escolha da op o de projeto desenvolvimento aprimoramento detalhamento Construir e executar prot tipo produ o Assim podemos descrever os seguintes passos GONE OY we TOO NS Identifica o de uma oportunidade An lise do problema levantamento de informa es Gera o de ideias Sele o de ideias triagem Desenvolvimento e teste do conceito Desenvolvimento da estrat gia de marketing An lise do neg cio financeira comercial Desenvolvimento do produto Teste de mercado 10 Comercializa o 1 Estes passos podem ser iterados conforme necess rio sendo que alguns passos podem ser eliminados Para reduzir o tempo do processo de desenvolvimento de produto algumas empresas completam v rias et
80. oda 45 3 1 4 Quando o motociclo est em 47 3 1 5 For as externas Resumo sese 48 3 2 Triple Clamp Testado rear 49 3 3 Materials T6stados 3 dic aaa e PE dL Peri ets 50 vii ndice 3 3 1 A GOET T6 inti eH tese eS 51 3 3 2 AL 0755 T6 2 2 E teo d ere eerie ers eee 52 3 3 3 A adattatore 53 3 4 Aplica o de Elementos Finitos errar 56 3 5 Resultados obtidos sese 57 3 6 Identifica o das frequ ncias naturais sse 60 3 7 Im pacto redes A diete cere 63 3 8 Considera es de projeto sse nennen 67 4 PROCESSOS DE FABRICO E AN LISE DE CUSTOS 69 4 1 Processo de fabrico HexMC 69 4 2 An lise d Custos a PAG Da aa 72 5 DISCUSS O DE RESULTADOS E TRABALHOS 5 75 6 CONCLUSOES SORTEO EET 77 REFER NCIAS iii a dm 79 ANEXO A PAR METROS GEOM TRICOS DE UM MOTOCICLO 81 ANEXO B CARACTER STICAS YAMAHA YZF R1 2000 85 ANEXO C C LCULO DE FOR AS EXTERNAS 87 C 1 Regimezestacio
81. os maiores do que os alum nios testados devido ao seu m dulo de Young inferior 59 Projeto e Simulac o Num rica 3 6 Identifica o das frequ ncias naturais Hoje em dia uma caracter stica principal dos ve culos especialmente os de duas rodas o conforto do condutor e dos seus passageiros que infelizmente pode ser afetado por vibra es indesej veis Apesar de as vibra es mec nicas serem maioritariamente provenientes da m qualidade do piso o uso de pneus de qualidade superior e de bons sistemas de suspens o pode ajudar a reduzir os efeitos nefastos destas vibra es Para al m disto o conforto do condutor e dos passageiros pode tamb m ser afetado por vibra es mec nicas causadas pelo motor onde por vezes as vibra es n o s o suficientemente filtradas pelos seus apoios 25 As frequ ncias naturais s o realmente importantes para serem estudadas e identificadas Atrav s desta identifica o poss vel saber quando o sistema pode vibrar podendo alguns problemas din micos ser corrigidos ou diminu dos durante a fase de design ou processos de teste modificando a estrutura original Em geral o isolamento de vibra es consiste em reduzir a grandeza de for as din micas transmitidas por componentes m veis ou equipamentos para as suas funda es de suporte transmiss o ativa ou em reduzir o movimento transmitido para os equipamentos por bases m veis transmiss o passiva 26 A tran
82. os tais como o RRIM SRIM ou RTM A n vel de an lise de custos seria tamb m importante ter uma melhor ideia do custo final de cada processo nao s do preco da mat ria prima por componente mas tamb m dos custos associados ao processo de fabrico em si S deste modo que poderia ser feita uma melhor avalia o da viabilidade do material testado No que diz respeito a trabalhos futuros estes dever o ser divididos em 4 etapas A primeira etapa a ser considerada A engloba a instrumenta o do triple clamp superior e inferior de um motociclo nas zonas previamente consideradas com cr ticas isto sujeitar o motociclo a diversas situa es t picas travagem curva acelera o e impacto Mediante a avalia o das cargas obtidas dever ser refinado o modelo de simula o num rica e proceder ao teste do material comp sito escolhido etapa B Como este componente est sujeito a v rios ciclos de travagem e de outras solicita es c clicas durante uma viagem importante testar este componente fadiga Esta a etapa C onde se devem comparar e analisar os resultados obtidos nos diferentes tipos de material A ltima etapa D a verifica o da possibilidade de redesign do componente Neste redesign deve ter se em conta como principal objetivo a redu o de peso mantendo as principais especifica es do triple clamp original nomeadamente e Offset e Distancia entre tubos e Di metro dos tubos da forquilha e da co
83. os geom tricos de um motociclo De um modo geral um aumento na distancia entre eixos assumindo que todos os outros par metros se mantem constantes leva a e Um desfavor vel aumento na deformabilidade flexional e torsional no quadro do motociclo Estes par metros s o muito importantes na manobrabilidade quadros que s o mais deform veis tornam o motociclo menos manobr vel e Um desfavor vel aumento no raio de curvatura m nimo uma vez que torna mais dif cil de virar numa trajet ria que tenha um pequeno raio de curvatura e De forma a virar ser necess rio aplicar um bin rio maior ao guiador e Uma diminui o favor vel na transfer ncia de carga entre as duas rodas durante as fases de acelera o e travagem e Um aumento favor vel na estabilidade direcional do motociclo Dist ncia entre eixos mm 1800 0 1700 0 1600 0 1500 0 1400 0 1300 0 1200 0 1100 0 1000 0 Buell t l Kauaraki 28 6R Kauaraki 20 68 Buell 1 Triumph Bonneville TT 20 Honda 125 Honda 360G Honda CER600F di BMWRTSI5 Suzuki GSH R600 Handa CER Suzuki GSH R600 Buell Blart Handa VTR1000 SP 1 Ducati 996 ph TT 00 Norton 50 Triumph Daytona Triumph Speed Triple Yamaha YZF R Yamaha YZF R6 Kauaraki F11 250 Honda RC51 Honda CE400 Handa CER 929 Ducati 0025 Suzuki 62250 Yamaha FZ1 Kauaraki Z RT Kauaraki 2812008 SuzukiL S650 Yamaha 45650 Handa CBR900RR Handa FR 300 BMW F 50GS Kauaraki eso Kau
84. rados e outras t cnicas s o de ltima gera o Nestas t cnicas mais modernas comum o uso de programas computacionais complexos que proporcionam ganho de tempo e redu o de desperd cio de energia e material conhecidos como CAD CAM Quando as pe as s o forjadas procura se alterar principalmente a elasticidade e a plasticidade dos metais No forjamento fundamental ter precis o na quantidade de material Pouco material implica falta de enchimento da cavidade Muito material causa sobrecarga no molde com a probabilidade de danos ao mesmo e na prensa Na maquinagem h uma perda em volume do material bastante elevada j na conforma o as perdas s o de aproximadamente 6 em volume Pun o Molde Superior Metal Y pr aquecido Molde Inferior Rebarba Bigorna Carga Forjamento Completo Figura 2 25 Processo de forjamento 36 Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos O forjamento pode ser a quente ou a frio No forjamento a quente o processo ocorre a uma temperatura acima da temperatura de recristaliza o do material Na etapa de conforma o final ocorre a forma o de rebarba devido ao excesso de material No forjamento convencional a quente o peso do forjado pode atingir o dobro do maquinado e a rebarba representa de 20 a 4096 do seu peso aumentando os custos com a compra de material sua manipulac o armazenagem aquecimento at temperatura de fo
85. referido devem ser evitadas mudan as bruscas de espessura no projeto da pe a Isto pode causar com que as fibras acabem numa transi o resultando em concentra o de tens es Isto particularmente indesej vel nos cantos pelo que devem ser consideradas transi es com raios generosos 14 Nas reas onde s o aplicadas cargas nomeadamente nos locais onde existem parafusos para fixa o e onde se inserem os tubos da forquilha e o eixo de dire o devem ser colocados insertos met licos Isto devido rea o galv nica existente entre o carbono e o alum nio nas zonas em que estes entram em contato 14 Este aspeto bastante importante durante a escolha do processo uma vez que necess rio garantir uma correta coloca o do inserto durante a fase de cura 67 Projeto e Simulac o Num rica 68 Helder Marques Design de mesas de direc o Triple Clamps para motociclos 4 Processos de Fabrico e An lise de Custos Neste cap tulo ir ser abordado o processo de fabrico do componente com o material comp sito escolhido assim como ser feita uma an lise de custos simples de forma a se poder comparar os diferentes materiais e processos inerentes 4 1 Processo de fabrico HexMC O HexMC um material que se encontra adequado produc o em massa Para tal necess rio o uso de moldes met licos devido s elevadas press es e temperaturas para moldar e curar o HexMC Os moldes s o tipicamente feitos
86. rial do componente como isotr pico mesmo para o HexMC Esta aproxima o do HexMc deve se s suas propriedades quasi isotr picas Tendo em conta dos dados da SEC O 3 1 5 a situa o mais cr tica para o conjunto dianteiro a situa o de travagem m xima na roda dianteira Ap s aplica o de elementos finitos ao modelo geom trico do componente com a devida coloca o das condi es de fronteira e for as externas calculadas no ANEXO D 1 foram obtidos os seguintes resultados seem ANN O mix MPa 72 2 72 2 72 2 276 503 300 3 82 6 97 4 16 1 018 x 107 9 782 x 107 1 846 x 107 Tabela 3 7 Resultados obtidos para o caso de travagem m xima na roda dianteira q Figura 3 13 Distribui o de tens es no caso de travagem m xima na roda dianteira e identifica o das zonas cr ticas Atrav s da FIGURA 3 13 poss vel verificar que a tens o m xima verificada no componente de 72 2 MPa As zonas cr ticas para esta situa o situam se na zona onde s o inseridos os tubos da forquilha 58 Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos Deslocamento no caso de travagem m xima na roda dianteira Al 6061 T6 Al 7075 T6 HexMC Tabela 3 8 Deslocamento no caso de travagem m xima na roda dianteira para os v rios materiais A n vel de deslocamentos como seria de prever o HexMC apresenta deslocament
87. rjamento e maquinagem para melhor acabamento superficial O processo de forjamento a quente geralmente come a pelo corte das barras em guilhotina para obten o dos tarugos Os tarugos passam por um forno cont nuo para serem aquecidos e posteriormente forjados em prensa O forjamento dever ocorrer em duas ou mais etapas que permitam o preenchimento adequado das matrizes As rebarbas do forjado s o retiradas numa opera o de corte imediatamente ap s o forjamento Ap s o corte os forjados s o tratados termicamente para obter se uma microestrutura adequada maquinagem No forjamento a frio n o ha remo o de material apresentando uma elevada precis o dimensional Consiste num amassamento de um corpo r gido que levado a uma forma desejada pelo deslocamento relativo das part culas do material s lido O volume do material que participa da conforma o permanece inalterado portanto n o h perda de material Defeitos no processo de forjamento e Penetra o incompleta do metal na cavidade da ferramenta Isso altera o formato da pe a e acontece quando s o usados golpes r pidos e leves do martelo pun o e Fendas superficiais causadas por trabalho excessivo na periferia da pe a em temperatura baixa ou por alguma fragilidade a quente e Fendas nas rebarbas causadas pela presen a de impurezas nos metais ou porque as rebarbas s o pequenas Elas iniciam se nas rebarbas e podem penetrar na pe a durante a opera o de
88. rodu o venda e entrega do produto Este conjunto de atividades multidisciplinar englobando e Marketing e Engenharia Design Industrial e Produgao Processos de fabrico Figura 2 1 Desenvolvimento de Produto e a sua multidisciplinariedade Revis o da Literatura O termo produto refere se a um objeto concebido produzido industrialmente com caracter sticas e fun es comercializado e usado pelas pessoas ou organiza es de modo a atender os seus desejos ou necessidades 1 Quanto ao grau de novidade os produtos podem ser classificados em Variantes de produtos existentes extens es de linha reposicionamento de produtos em termos de seu uso e mercado formas novas vers es modificadas Inovadores modifica es feitas em produtos existentes gerando produtos de elevado valor agregado Geralmente um maior grau de inova o requer um tempo mais longo ou esfor o de desenvolvimento e maior custo de pesquisa Criativos geralmente s o produtos com exist ncia nova o tempo de desenvolvimento longo e os custos de pesquisa e desenvolvimento s o elevados A introdu o no mercado de produtos criativos pode ser de risco elevado mas tamb m pode gerar novos paradigmas e potencializar novos campos industriais 1 Figura 2 2 Exemplo de variantes de produtos existentes Figura 2 3 Exemplos de produtos inovadores Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos
89. rte apenas numa opera o de molda o e pagar os custos iniciais mesmo para uma baixo m dio volume de produ o 10 mil a 100 mil pe as Contudo existem alguns autores que apontam o custo das mat rias primas como o principal obst culo difus o dos materiais comp sitos na produ o em massa Existem outras limita es mencionadas tais como as exig ncias est ticas relevantes para a elevada qualidade do acabamento superficial para pe as externas ou a necessidade de aumentar a quantidade de materiais reciclados Para al m disso os comp sitos tendem a desenvolver defeitos durante o seu fabrico e manuseio assim como delaminagem devido a impactos com objetos estranhos ou detritos o que pode levar a uma severa redu o das suas propriedades de resist ncia Estas limita es s o a principal preocupa o no uso de laminados comp sitos em aplica es que exijam elevada performance mas tamb m no seu fabrico em massa Por outro lado custos de produ o reciclagem e redu o do tempo de vida devido aos defeitos n o s o um ponto cr tico para carros e motociclos desportivos Por isso componentes estruturais feitos a partir de comp sitos laminados s o largamente usados nesse contexto onde permitem atingir uma superior efici ncia estrutural Mais recentemente a aplica o de comp sitos refor ados com carbono em ve culos desportivos de alto rendimento foi prosseguida pela concentra o dos requisitos estruturais e processos de
90. s o de Motociclo Adaptado de 6 15 Figura 2 10 Exemplo de pneu de motociclo seen enne 15 Figura 2 11 Suspens o de forquilha 16 Figura 2 12 Motociclo com Suspens o de Forquilha Telesc pica 17 Figura 2 13 Principais especifica es de um Triple Clamp 18 Figura 2 14 Rake offset e trail de um motociclo Adaptado de 7 19 Figura 2 15 Exemplos de triple clamps seen nennen 20 Figura 2 16 Arranjos t picos de fibras 10 24 Figura 2 17 Vista explodida do BEM 170 mostrando os componentes fabricados em comp sitos polim ricos avan ados Embraer 26 Figura 2 18 Pr impregnado sob a forma de volume esquerda e sob a forma de Tola direta ci nedum 28 Figura 2 19 Exemplo de substitui o do alum nio por pr impregnado de fibras cultas ibarra ld 29 Figura 2 20 Esquema do processo RRIM 15 30 Figura 2 21 Esquema do processo RTM 15 eene enne 31 Figura 2 22 Esquema do processo SMC 15 sse 33 Figura 2 23 Esquema do processo de molda o em prensa 15 34 Lista de Figuras Figura 2 24 Esquema do processo de molda o por inje o 15
91. s Comp sitos e substituic o do Alum nio A competi o entre diferentes tipos de materiais um processo continuo que ocorre desde os prim rdios da civiliza o medida que em fun o das suas necessidades o homem iniciou a transforma o de materiais em ferramentas e utens lios Foi a partir da d cada de 1960 que os comp sitos materiais constitu dos por dois ou mais componentes com propriedades f sicas e qu micas distintas come aram a ser utilizados no fabrico de componentes Por m nessa poca alguns sectores da ind stria ainda impunham restri es quanto ao seu uso Com o passar dos anos e evolu o das tecnologias os materiais comp sitos ganharam o seu espa o e passaram a ser aplicados na produ o de pe as estruturais para diferentes segmentos da ind stria Entre as vantagens de se utilizar pe as produzidas com estes materiais est a redu o de peso considerado um diferencial estrat gico no fabrico de um autom vel motociclo ou avi o uma vez que influencia diretamente o desempenho do ve culo permitindo maior velocidade e menor consumo durante a sua utiliza o Devido a esta e outras vantagens a produ o e utiliza o de comp sitos cresce a cada dia A potencial substitui o de alum nio por um material comp sito uma tarefa desafiante considerando a elevada efic cia estrutural do componente met lico original O uso de materiais comp sitos no processo de fabrico de componentes estrut
92. s que atuam num motociclo Durante a desacelera o produzida pela roda traseira a carga na roda dianteira aumenta cerca de 20 enquanto na roda traseira diminui Ambas as rodas est o sempre em contacto com o piso Apenas muda a transfer ncia de carga Em ltimos momentos existe derrapagem 45 Projeto e Simulac o Num rica quando a forca de travagem superior forca de atrito din mico entre a roda e o piso Neste caso vai ser pressuposto um coeficiente igual a 0 9 entre o piso e a roda Muitos condutores de motociclos tendem a se esquecer do trav o traseiro que em certas circunst ncias fornece uma til contribui o O seu uso correto importante quando se entra numa curva e durante o movimento retil neo quando aparece um obst culo repentino na frente do motociclo e o piso n o est em boas condi es n o h boa ader ncia A presen a da for a de travagem traseira gera um bin rio que tende a alinhar e a estabilizar o ve culo e x E 2 d 100 100 3 12 Onde e mg peso e de transfer ncia de carga da roda traseira para a dianteira 20 e tcspt a transfer ncia de carga na posi o est tica roda traseira p b 3 13 tcspt 1 tcspd 3 14 gt 8 Jet Figura 3 3 Esquema de for as m xima travagem na roda traseira Adaptado de 17 Portanto FN 3 15 3 16 pes 8 17 46 Helder Marques Design de mesas de dire
93. s resultados obtidos estarem de acordo com o esperado 56 Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos Helder Marques Resultados obtidos 3 5 com uma malha de elementos tetra dricos O 2 tico t de elementos utilizados foi de 12496 e o n mero O caso estudado foi um caso es 27554 os den r numero SEREIA E E NATA SR ASS REPRISES CASO ESPOSAS A EPIA DORA KAS 5 NS TO AV BALA SNA B SEASON AAA IS AS ar POROS SS PROTA RIZO ATUS INT y ER VA IA AC PARIS SOF PK USC XUL am DO Av CAKE VIVIS SANA vara 4 PESSOAS WEE NS COS OSO AL ara ara BAAS KDE et AS AAA 009 OS AO KARRI IAS DE AAT SAN SRY AYAYAVANASIS AS VAR ANA ANAT SSSA 7 06 ARS PIOQOQ OHS E SIS Figura 3 11 Malha de elementos finitos utilizada iderado que a zona do eixo da ira foi cons de fronte i es s cond im como a zona on to iz respei No que d de se encontram os parafusos para o ajuste tava encastrada ass o es dire istentes foram introduzidas nas zonas dos tubos da dos tubos da forquilha As cargas ex forquilha Figura 3 12 Condi es de fronteira do modelo 57 Projeto e Simulac o Num rica Em todos os casos foi considerado o mate
94. s rodas com sistemas el sticos suspens o dianteira e traseira O corpo r gido constitui a massa suspensa chassis motor coluna de dire o condutor enquanto as massas ligadas as rodas s o chamadas massas n o suspensas Massa Suspensa Massa Suspensa Dianteira Traseira Figura 2 9 Modelo de Sistema de Suspens o de Motociclo Adaptado de 6 Pneus Os pneus t m uma grande influ ncia na manipula o dos motociclos Geram as for as laterais necess rias para as viragens e equil brio atrav s de uma combina o das for as de viragem e de impulso A press o de enchimento de um pneu tamb m considerada uma vari vel importante para o comportamento do motociclo Figura 2 10 Exemplo de pneu de motociclo 15 Revis o da Literatura O sistema de suspens o dianteira mais generalizado o de forquilha telesc pica Este termo utilizado porque os tubos deslizam para dentro e para fora do corpo tal como um telesc pio Os garfos podem ser mais facilmente entendidos como grandes amortecedores hidr ulicos com molas internas Permitem roda da frente reagir s imperfei es da estrada enquanto isolam o resto do motociclo daquele movimento Os tubos do garfo devem ser lisos e com um bom acabamento superficial de modo reduzir o atrito sendo a veda o do leo feita por vedante e raspador A parte superior dos garfos est ligada ao quadro do motociclo atrav s do triple clamp superior e inferior t
95. scri o propriedades e aplica es t picas dos materiais testados no presente trabalho Criar ou modificar componentes para um motociclo ou outro tipo de ve culo uma a o bastante s ria cujas consequ ncias devido a falhas mec nicas podem acarretar danos s rios tanto ao motociclo como ao seu condutor 19 Hoje em dia existe uma larga gama de materiais que podem ser aplicados nos diversos tipos de componentes Selecionar o material certo para um design projeto espec fico provavelmente uma das decis es mais importantes Apesar de existirem outros fatores para uma correta escolha do material a utilizar devem ser respondidas as seguintes quest es 50 Ser que vai funcionar A resposta a esta questao recai sobre a correspond ncia de crit rios dominantes ou prim rios tais como resist ncia dureza comportamento el stico propriedades magn ticas condutividade el trica e t rmica Ser que vai durar Esta pergunta respondida pelos crit rios importantes de corros o e resist ncia ao calor bem como a resist ncia ao desgaste carregamento din mico choque e flu ncia Pode ser feito Esta quest o refere se fundibilidade maquinabilidade e acabamento superficial revestimento galvaniza o e anodiza o Pode ser feito dentro dos limites especificados As principais limita es da maioria dos componentes de engenharia ou estruturas s o o peso e o custo De forma a estas restri
96. smissibilidade de for a representa a fra o da amplitude de for a de excita o que transmitida base Na FIGURA 3 14 apresenta se a representa o param trica da transmissibilidade para diferentes valores da raz o de amortecimento amp isolamento 0 2 on Figura 3 14 Transmissibilidade em fun o da raz o de frequ ncia Retirado de 26 60 Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos A an lise da varia o da transmissibilidade em fun o da frequ ncia de excita o w ou da raz o de frequ ncias permite nos concluir o seguinte e A regi o de isolamento de vibra es em que a transmissibilidade inferior a 1 verifica se para gt V2 Assim para uma dada frequ ncia de excita o w os n apoios devem ser selecionados de modo a que a frequ ncia natural do sistema MES A k F seja inferior a v Como w E e a massa dos apoios geralmente muito menor do que a massa dos sistema apoios adequados de isolamento s o normalmente selecionados na base da sua rigidez e Como a transmissibilidade na regi o de isolamento diminui medida que D n aumenta quanto menos r gidos os apoios maior ser a efici ncia de isolamento no entanto desej vel a presen a de amortecimento para atenuar o pico de resposta quando o sistema passa pela frequ ncia de resson ncia durante as fases de arranque e de paragem e Para D
97. ss ria para maquinar o componente Massa Necess ria kg Pre o Mat ria Prima Peca Al 6061 T6 3 375 22 28 Al 7075 T6 3 513 27 40 Tabela 4 4 Prego Mat ria Prima Peca para processo de maquinagem Na maquinagem existe um grande desperd cio de mat ria prima neste caso existe um desperd cio de material de aproximadamente 84 796 Temos assim um preco de mat ria prima por pe a de 22 28 para AI6061 T6 e de 27 40 para o AI7075 T6 A maior parte dos triple clamps maquinados pertencem a um mercado mais de personaliza o onde os condutores tentam substituir o componente original por outro com diferente valor de offset mudando assim as caracter sticas do motociclo Como referido na SECC O 2 5 7 no forjamento entre 20 a 4096 do material rebarba logo massa final do componente temos de adicionar este aumento Considerando o valor mais alto temos massa necess ria massa final do componente 0 4 massa necess ria Massa Necess ria kg Preco Mat ria Prima Peca Al 6061 T6 0 860 5 68 Al 7075 T6 0 895 6 98 Tabela 4 5 Prego Mat ria Prima Pega para processo de forjamento 73 Processos de Fabrico e An lise de Custos Neste caso temos um pre o de mat ria prima por pe a de 5 68 para o AI6061 T6 e de 6 98 para o AI7075 T6 Ap s o processo de forjamento sempre necess ria uma etapa de maquinagem de modo a melhorar a qualidade superficial do componente
98. sses which must take into account all design considerations inherent to the replacement of aluminum by this molding compound Coupled with the manufacturing processes should also be done a cost analysis in order to verify the feasibility of the project Abstract Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos Agradecimentos Em primeiro lugar quero agradecer ao Professor Ant nio Torres Marques a constante disponibilidade e o sentido cr tico que me permitiu que o presente trabalho atingisse os seus objetivos Quero agradecer igualmente ao Professor Ant nio Joaquim Mendes Ferreira pela disponibilidade e conhecimento transmitido Agrade o a todos os meus colegas de Faculdade que me acompanharam ao longo deste percurso tanto pelas cr ticas construtivas que me fizeram como pelos momentos de descontra o e partilha de conhecimentos na mais diversas reas Agrade o ainda aos amigos de toda a vida que sempre confiaram no meu valor e qualidade assim como por todos os momentos vividos Finalmente quero agradecer aos meus Pais por todo o apoio e pelo que me proporcionaram ao longo deste caminho Agradecimentos vi Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos Indice 1 INTRODUGAO v 1 2 REVISAO DA LITERATURA erri it Donate auto uic ipva pauore uan Dcus dale dentada niga 3 2 1 Desenvolvimento Integrado de Produto
99. sura de 4 mm 28 a 69 Tabela 4 2 Pre o kg de cada material testado 72 Tabela 4 3 Massa final do componente para cada material testado 72 Tabela 4 4 Pre o Mat ria Prima Peca para processo de maquinagem 73 Tabela 4 5 Pre o Mat ria Prima Peca para processo de forjamento 73 Tabela 4 6 Pre o Mat ria Prima Pega para processo de molda o por ici EEEE 74 xiii Lista de Tabelas Tabela A 1 Varia o da dist ncia entre eixos em fun o do tipo de motociclo Adaptado de 2 decet tot eate sono e aee aca 81 Tabela A 2 Simbologia e identifica o de par metros da FIGURA 5 84 Tabela B 1 Caracter sticas Yamaha YZF R1 2000 28 85 Xiv Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos Abreviaturas e S mbolos Lista de abreviaturas BMC Cog HS Carbon RIM RRIM RTM SMC SRIM VaRTM Bulk Moulding Compound Centro de Gravidade High Strength Carbon Resin Injection Moulding Reinforced Resin Injection Moulding Resin Transfer Moulding Sheet Moulding Compound Structural Moulding Compound Vacu
100. ue se pretende do material comp sito e a relativa import ncia de v rios fatores tais como e Resist ncia corros o e Rigidez e Peso e Resist ncia fadiga e Expans o t rmica e Propriedades eletromagn ticas e Condutibilidade t rmica 22 Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos e Comportamento ac stico e Aspeto As elevadas resist ncia e rigidez espec ficas continuam a ser a combina o que lan a os materiais comp sitos para novas reas sendo a grande capacidade de amortecimento e o baixo coeficiente de expans o t rmica caracter sticas que podem ser adaptadas para aplica es espec ficas Os designados comp sitos avan ados permitem reduzir os problemas de fadiga possibilitando uma maior flexibilidade no projeto e nos processos de fabrico Outras vantagens dos comp sitos s o a resist ncia a temperaturas extremas corros o e ao desgaste que podem conduzir a custos mais baixos do ciclo de vida do produto Matriz A matriz de um material comp sito deve para al m de manter a coes o das fibras garantir as seguintes fun es e Proteger as fibras do meio envolvente e Proteger as fibras do dano durante o manuseamento e Distribuir o carregamento pelas fibras e Redistribuir o carregamento pelas fibras resistentes em caso de rutura Na TABELA 2 3 apresentam se os principais requisitos do material da matriz Resist ncia trac o ele
101. um assisted Resin Transfer Moulding Lista de s mbolos a b c f F Fimpacto Ftripleclamp 9 h k m n Na Nsa Not Ne Transfer ncia de carga da roda traseira para a dianteira Distancia do centro de gravidade para a frente Angulo da forquilha Angulo de rake Angulo de transfer ncia de carga For a de travagem For a de impacto For a transmitida no triple clamp Acelera o da gravidade Altura do centro de gravidade Rigidez Massa do motociclo Coeficiente de seguran a For a de contacto roda dianteira piso Carga est tica da roda dianteira Carga est tica da roda traseira For a de contacto roda traseira piso XV Abreviaturas e S mbolos Oced On xvi Transfer ncia de carga Offset Dist ncia entre eixos Dist ncia do centro de gravidade para tr s Raio de curvatura Raio roda frente Raio roda tr s For a de rea o horizontal no eixo da roda For a de rea o vertical no eixo da roda Trail For a motriz Transfer ncia de carga na posi o est tica roda da frente Transfer ncia de carga na posi o est tica roda de tr s Deslocamento Velocidade angular ngulo da forquilha Raz o de frequ ncias Coeficiente de atrito Raz o de amortecimento Densidade vol mica Tens o de Von Mises m xima Tens o de ced ncia do material Frequ ncia de excita o Frequ ncia natural Helder Marques Design de mesas de
102. um grande n mero de arquiteturas designs e modelos cinem ticos t m sido propostos A suspens o de um motociclo tem uma dupla finalidade contribuir para o manuseio e travagem do ve culo e proporcionar seguranga e conforto mantendo os passageiros do ve culo confortavelmente isolados do ru do impacto e vibra es da estrada Um motociclo sem suspens o movendo se sobre um piso irregular apresenta dificuldades de dire o devido perda de ader ncia das rodas na estrada e ao desconforto do condutor Pequenos solavancos na estrada s o facilmente absorvidos pelos pneus mas para uma adequada absor o de solavancos maiores um motociclo precisa de uma adequada suspens o A suspens o tem de satisfazer os tr s seguintes prop sitos e Permitir s rodas seguir o perfil da estrada sem transmitir excessivas vibra es ao condutor Este prop sito relaciona se com o conforto do condutor isolando a massa suspensa da vibra o gerada pela intera o das rodas com as irregularidades da estrada e Garantir a ader ncia das rodas no plano da estrada com o intuito de transmitir as for as de travagem laterais e motrizes necess rias e Assegurar o equil brio pretendido do ve culo sob v rias condi es de funcionamento acelera o travagem entrar e sair de curvas O grau de conforto requerido varia de acordo com o uso do motociclo Por exemplo nos ve culos de corrida o conforto menos importante do que a capacidade do motociclo
103. urais para ve culos est a ter um lento mas cont nuo crescimento desde a sua introdu o No campo das aplica es aeroespaciais o uso de comp sitos est a experienciar um incremento acentuado com a futura gera o de avi es comerciais tais como o Airbus A350 e o Boeing 787 onde os comp sitos s o largamente adotados em estruturas prim rias A substitui o do alum nio por comp sitos polim ricos estruturais por exemplo permite uma redu o de peso de 20 a 30 al m de 25 na redu o do custo final de obten o das pe as 8 2 5 1 O que um material comp sito Materiais comp sitos s o materiais feitos a partir de dois ou mais materiais constituintes com diferen as significativas a n vel de propriedades f sicas ou qu micas Separadamente os constituintes do comp sito mant m as suas caracter sticas por m quando misturados formam um composto com propriedades imposs veis de se obter com apenas um deles Os materiais que podem compor um material comp sito podem ser classificados em dois tipos matriz e refor o e O material da matriz o que confere estrutura ao material comp sito preenchendo os espa os vazios que ficam entres os materiais de refor o e mantendo os nas suas posi es relativas e Os materiais de refor o ou fibras s o os que real am as propriedades mec nicas eletromagn ticas ou qu micas do material comp sito como um todo 21 Revis o da Literatura Matriz
104. ustry Smith G F s l Composites Manufacturing 1990 Vol 1 pp 112 116 14 Chopped prepregs A compelling performance and cost alternative material form D Fudge Jack s l Tencate Advance Composites 15 Universidade de Coimbra Slides da Disciplina Processamento de materiais comp sitos 16 Martins Laura Anodizag o e colora o de Pe as em Alum nio FEUP DEEC 79 Refer ncias 17 Mor Joan Locutura i Comparison between a tubular frame and a beam frame Master Thesis s l Politecnico di Milano Escola T cnica Superior d Enginyeria Industrial de Barcelona 2011 18 http thetrxproject blogspot pt TRX Project Online 19 S Bozic Gombac E e Harmel A Redesign of Motorcycle Rear Suspension with CAD Technology Slovenia The Faculty of Maritime Studies and Transport 20 http asm matweb com search SpecificMaterial asp bassnum MA6061t6 Aluminum 6061 T6 Online 21 http asm matweb com search SpecificMaterial asp bassnum MA7075T6 Al 7075 T6 Online 22 Hexcel Website Online http www hexcel com 23 Hexcel Datasheet HexMC Online http www hexcel com Resources DataSheets Molding Data Sheets EUVersion paf 24 User guide HexMC Online http www hexcel com Resources UserGuides HexMC_UserGuide paf 25 An innovative multi dof TMD system for motorcycle handlebars designed to reduce structural vibrations and human exposure Agostini S et al et al Milano Italy M
105. vada Ductilidade Propriedades Mec nicas Resist ncia ao corte Tenacidade Resist ncia ao impacto Resist ncia a temperaturas extremas Coeficiente de dilata o t rmica pr xima do da Propriedades T rmicas fibra Baixa condutividade t rmica Boa ades o s fibras Resist ncia degradac o em ambientes Propriedades Qu micas i quimicamente agressivos Baixa absor o de humidade El III tee w ua Baixo custo Outras Propriedades Solidifica o ou cura r pidas Tabela 2 3 Principais requisitos de uma matriz 9 23 Revis o da Literatura Fibras Consistem em milhares de filamentos cada filamento com di metro entre 5 e 15 micr metros permitindo a sua produ o em equipamentos do sector t xtil As fibras podem ser encontradas em duas formas e Fibras curtas e Fibras cont nuas Alguns arranjos t picos de fibras nos materiais comp sitos a Fibras unidirecionais cont nuas b Fibras descont nuas orientadas de modo aleat rio c Fibras unidirecionais tecidas ortogonalmente Figura 2 16 Arranjos t picos de fibras 10 Principais materiais usados nas fibras e Vidro e Aramida ou Kevlar muito leve e Carbono e Boro e Carboneto de sil cio resist ncia a elevadas temperaturas e Fibras naturais 24 Helder Marques Design de mesas de dire o Triple Clamps para motociclos 2 5 2 Inter
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