Projeto de uma manga de eixo com freio tipo prensa

Abstract

Pequenos veículos de competição, como o caso dos fórmulas SAE, apresentam dificuldades no projeto de alguns componentes, justamente pelo reduzido espaço disponível. O conjunto mais afetado pela falta de espaço consiste na suspensão e manga de eixo. Partindo de dados obtidos junto à equipe RS Racing de Fórmula SAE da UFRGS, uma manga de eixo foi projetada para se adequar ao volume reduzido das rodas utilizadas, e propiciar a geometria de suspensão escolhida pela equipe. Uma alternativa em sistemas de freio foi proposta de modo a permitir a correta integração entre a suspensão e a manga de eixo. Esta proposta baseia-se nas teorias usadas em pinças de freio comuns e também nas características de um sistema de embreagem moderna, sendo denominado de freio de tipo prensa. Este sistema tem como principais vantagens a compactação do conjunto aliado a uma boa capacidade de frenagem, utilizando baixas pressões hidráulicas, máxima de 3,5 MPa, sem comprometer o esforço do piloto. A pressão de contado entre pastilhas de freio e disco é igualmente reduzida, o que evita o desgaste das superfícies, e mantém as propriedades do material abrasivo por mais tempo. Para alcançar esses objetivos, uma extensa pesquisa de mercado foi realizada para buscar componentes comerciais cabíveis ao projeto, de maneira a reduzir custos e facilitar a manutenção. Pastilhas de freio foram selecionadas de acordo com suas geometrias e características abrasivas, além de suas utilizações em motos de baixa cilindrada, facilmente encontradas no mercado. Todos os componentes do circuito hidráulico foram avaliados e selecionados de acordo com sua disponibilidade, custos e principalmente suas geometrias, de maneira a possibilitar o correto funcionamento do conjunto. A geometria de suspensão utilizada pela equipe foi analisada para verificar sua interação com a manga de eixo quando em trabalho, impondo limitações geométricas ao projeto, mas garantindo ausência de interferências em qualquer situação de uso. A estimativa dos carregamentos decorrentes de uma frenagem foram avaliados, e através de métodos analíticos e numéricos a estrutura projetada foi analisada. Os resultados encontrados foram coerentes com o esperado para os carregamentos impostos, e as análises apontaram o uso do Aço SAE 1045 laminado a frio para os componentes mais exigidos, e a liga de alumínio 2011 T6 para os demais, o que permitiu manter um baixo peso final do conjunto e alta segurança estrutural. O projeto final mostrou-se capaz de atender aos objetivos propostos, sendo posteriormente a este trabalho, fabricado e testado pela equipe RS Racing com o intuito de sua utilização em suas competições nacionais e internacionais.

Small racing cars, as the case of formulas SAE, present difficulties in the design of some components, due to the small space available. The group most affected by lack of space is the suspension and the spindle carrier. Based on data obtained from the RS Racing team of Formula SAE from UFRGS, a spindle carrier was designed to suit the reduced volume of used wheels, allowing the suspension geometry chosen by the team. A new concept in brake systems has been generated to allow the correct integration of suspension and spindle carrier. This new system is based on theory used in common brake calipers and also has the characteristics of a modern clutch system, so called press brake being type. This system has as main advantages the small components set combined with a good braking performance, using low hydraulic pressures, up to 3.5 MPa, without compromising the efforts of the pilot. The contact pressure between brake pads and the disc is also reduced, which prevents wear of the surfaces, and maintains the properties of the abrasive material for a longer time. To achieve these goals, an extensive market research was conducted to seek commercial components applicable to the project in order to reduce costs and facilitate maintenance. Brake pads were selected according to their geometry and abrasive characteristics, and their use in low-displacement motorcycles, easily found on market. All components of the hydraulic circuit were evaluated and selected according to their availability, cost and especially their geometries in order to provide the correct functioning of the set. Suspension system used by the team was checked for its interaction with spindle carrier when in work, imposing geometric constraints to the project, but ensuring no interference in any work situation. The estimate of loads due to a braking was evaluated, and through analytical and numerical methods the designed structure was analyzed. The results were consistent with the loads imposed, and the analysis indicated the use of SAE 1045 steel cold rolled for the components most required, and 2011 T6 aluminum alloy for the other, which allowed it to maintain a low weight of the final set and high structural safety. The final design was capable of meeting the proposed objectives, and subsequently this work, manufactured and tested by RS Racing team in order to use in both national and international competitions.