Abstract

Ultra-highh-molecular-weight polyethylene (UHMWPE) é um subgrupo do polietileno termoplástico caracterizado por cadeias extremamente longas e, como resultado, em um material muito resistente e resistente. Devido às notáveis propriedades mecânicas específicas, seu uso está sendo gradualmente estendido a múltiplos campos de aplicação. Este estudo descreve, talvez pela primeira vez, como o UHMWPE pode representar uma solução material válida no projeto e otimização das suspensões para uso automotivo, especialmente no caso de veículos extremamente leves, como os carros solares. Em particular, neste estudo de design, as hastes de UHMWPE permitem assegurar trajectórias cinemáticas específicas, funcionalidades e desempenho geral em sistemas de suspensão excepcionalmente leves, desenvolvidos para um veículo solar multiocupante inovador. Estas hastes reduziram o peso em 88% em relação às soluções de design clássico com funções semelhantes, oferecendo, ao mesmo tempo, uma elevada rigidez e precisão nos movimentos. Foi realizada uma campanha experimental para avaliar o comportamento da catraca e outras propriedades mecânicas necessárias para um design e utilização adequados.

1. Introdução

Em algumas aplicações de engenharia estrutural de ponta, como o design de veículos movidos a energia solar, o projetista precisa usar materiais com a maior rigidez específica possível e resistência específica para atingir o peso mínimo.

Os veículos solares são protótipos inovadores destinados a corridas longas em condições extremas, como, por exemplo, as estradas australianas ensolaradas e sem fim do deserto do World Solar Challenge . A minimização do peso permite, juntamente com outros detalhes técnicos e truques de engenharia, melhorar a eficiência energética do veículo que representa um factor chave para um protótipo solar de sucesso. Da perspectiva do design de um sistema de suspensão para essa aplicação e além de qualquer outra consideração própria do design automotivo tradicional, o projetista tem que agir com extremo cuidado para reduzir todo tipo de dissipação de energia.

Por isso, o carro tem que funcionar estável na aspereza da estrada, as vibrações têm que ser mínimas, e a inércia com relação às mudanças de velocidade e direção tem que ser limitada. Isto significa, na prática, que o design tem de ser directo para suspensões rígidas, leves e precisas. A possibilidade de obter esses resultados também está relacionada à escolha do material.

Considerar os conhecidos gráficos Ashby leva à conclusão de que a escolha deve ser limitada aos sanduíches de Plástico Reforçado com Fibra de Carbono (CFRP), na presença de carga de flexão ou para absorção de energia, e aos laminados nos outros casos, com a possibilidade de usar metais onde outras condições possam sugerir não usar compósitos (por exemplo, altas tensões de contato, carga transversal e exposição). Em casos muito específicos, onde a geometria das restrições funcionais está presente, como no sistema de suspensão, outros tipos de materiais, tais como polímeros de alto desempenho, podem ser levados em consideração pelo projetista.

Os estudos apresentados foram preliminares ao projeto de uma suspensão CFRP completa para o veículo solar chamado Emilia 4, um carro solar multipassageiro, projetado e desenvolvido pela Universidade de Bolonha em colaboração com a Onda Solare Solar Car Association. Este veículo pertence à Classe Cruiser, de acordo com o regulamento do World Solar Challenge e é um protótipo de corrida de quatro lugares. O modelo do carro foi apresentado em Junho de 2018 e ganhou o American Solar Challenge em Julho de 2018. Neste evento, o veículo percorreu 2700 km através de energia exclusivamente solar, mostrando um compromisso válido entre as diferentes escolhas de design. Entre elas, foi dada uma atenção especial à procura de soluções de design eficazes para os sistemas de suspensão. A forma geral do veículo é mostrada na Figura 1, onde a localização dos sistemas de suspensão é visível em transparência.

> Figura 1

> O Cruzador Solar Emilia 4.

Para detalhes adicionais, o processo de design do chassis do carro é mostrado em . Toda a carroceria do veículo foi feita em autoclave por CFRP/polymeric honeycomb sanduíche, enquanto todos os outros componentes mecânicos consistem em laminados CFRP.

Diferente da maioria das aplicações de engenharia, no caso de veículos concorrentes, as principais direções de design são ditadas pelas regras da corrida a que se destinam (por exemplo, ). Estes requisitos, em particular, consideram aspectos como dimensões gerais, segurança, visibilidade, dirigibilidade e características do painel solar e da bateria. Todos estes constrangimentos técnicos, unidos ao objectivo global de redução do consumo de energia, levaram, no que diz respeito aos aspectos mecânicos e estruturais, à optimização aerodinâmica e a um peso total do carro inferior a 330 kg. Somando 320 kg, que é o peso padrão de quatro passageiros , a carga total nas quatro suspensões foi de 650 kg.

O sistema de suspensão é a única parte móvel do veículo no nosso caso, já que os motores elétricos estão localizados dentro das rodas traseiras, de modo que não são necessários eixos de transmissão ou diferencial.

De um modo geral, a suspensão de um automóvel é a montagem de alavancas e elementos elasticamente deformáveis que, ao restringir as massas não suspensas com as massas suspensas, tem a função de manter a carroçaria em suspensão de implementar uma distribuição predeterminada das forças variáveis – forças inexistentes nas rodas tanto em tracção como em curva e travagem – e reduzir os choques transmitidos após a passagem do veículo na aspereza da estrada. A suspensão, portanto, inclui todas as partes que ligam as rodas ao quadro. Em geral, é composta por três partes principais: uma parte estrutural, uma parte elástica e uma parte amortecedora (que no nosso estudo de caso não está concentrada num único elemento). A parte estrutural é um conjunto de alavancas que tem como objectivo orientar a suspensão e consequentemente a roda no seu movimento em relação ao chassis.

Em particular, o desenho escolhido para a suspensão dianteira, que é o foco deste trabalho, é mostrado na Figura 2. Consiste numa suspensão de braço longitudinal, adequada para longas estradas rectas, como as encontradas nas competições de 3000+ km, com uma mola de folha transversal que tem também um papel anti-capotamento, uma vez que está unida às duas rodas frontais.

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Figura 2

> Desenho da suspensão dianteira com a haste representada em vermelho.

A arquitectura da suspensão compreende uma biela carregada em tensão que liga o braço superior em forma de lambda (ou braço superior) à mola da folha. Basicamente, o veículo é suspenso àquele biela que transfere a carga para o elemento lambda e depois através de um pilar, para a roda.

Esta biela precisa ser muito pequena para caber no esquema de suspensão, mas acima de tudo, precisa de ter juntas esféricas nas suas extremidades porque a cinemática do elemento lambda faz com que a extremidade superior da biela se mova num círculo no plano sagital, enquanto a extremidade inferior se move no plano transversal durante a deformação da mola da folha.

Segundo essas considerações, diferentes possibilidades foram investigadas e comparadas, incluindo o uso de tiras de polietileno de ultra-alto peso molecular (nome comercial Dyneema ou Spectra).

As propriedades mecânicas da fibra UHMWPE à temperatura ambiente são bastante interessantes para o projetista, em comparação com soluções baseadas em metal ou compósito, e o uso dessas tiras poliméricas pode levar a um componente muito mais leve e compacto.

De facto, com uma densidade de 975 kg/m3, um típico fio de Dyneema tem um módulo elástico de 110 GPa e uma resistência à tracção de 3400 MPa .

Agora, estes materiais são encontrados em muitas aplicações desportivas que requerem pouco peso e resistência, como parasails, linhas de suspensão para parapentes ou pára-quedas, e no rigging usado em veleiros de competição. Também são utilizados no tiro com arco ou como linhas de pesca esportiva em forma de monofilamentos. Finalmente, são utilizados na escalada, também por causa da sua resistência à abrasão. No que diz respeito às aplicações industriais, as fibras de UHMWPE são utilizadas para produtos de corda e cordame utilizados nas indústrias de petróleo e gás offshore e na marinha industrial. Além disso, sua abrasão e resistência química tornam essas cordas alternativas atraentes para fios e cabos metálicos em ambientes corrosivos.

As fibras de UHMWPE também são utilizadas como componente em velas de alto desempenho, muitas vezes emparelhadas com uma fibra resistente à fluência, como o carbono ou o Kevlar. O problema da fluência, ou seja, a tendência de ter uma deformação crescente ao longo do tempo na presença de uma carga estática, foi primeiramente considerado no caso de aplicações biomecânicas .

Em geral, procedimentos de projeto adicionais devem ser empregados para garantir a resistência à fluência e à catraca .

Ratcheting é definido como o acúmulo progressivo de deformação plástica em materiais submetidos a uma carga cíclica controlada por tensão com tensão média não nula. Este acúmulo prossegue conforme o número de ciclos aumenta levando possivelmente à falha.

Um número muito limitado de referências pode ser encontrado na caracterização de fibras termoplásticas ou tiras em carga de fadiga de tração-tensão.

Alguns estudos de pesquisa estão disponíveis sobre o comportamento de catraca de UHMWPE a granel sob carga uniaxial ou biaxial, considerando também o efeito de aditivos em particular para aplicações biomecânicas, mas para o conhecimento dos autores, não há estudos na literatura científica sobre o comportamento de catraca de fibras, fios ou tiras de UHMWPE.

2. Materiais e Métodos

Nesta seção, os requisitos para as possíveis soluções de design são detalhados, incluindo as tiras de UHMWPE. Para este material, é apresentada a caracterização da catraca e é proposto um procedimento para permitir a sua utilização no sistema de suspensão.

A haste deve suportar uma carga axial estática igual à quota do peso dos passageiros e do carro que insiste no eixo específico. Além disso, está sujeita a cargas dinâmicas devido à oscilação vertical normal que ocorre durante o movimento do veículo e, finalmente, a choques como consequência do impacto em obstáculos.

No que diz respeito à suspensão dianteira, onde as hastes estão localizadas, avalia-se que a carga estática por roda simples é de 0,5 kN quando o veículo é descarregado e de 1 kN quando o veículo transporta quatro passageiros. A carga dinâmica é considerada um múltiplo da carga estática e é definida como 2 kN máximo para a condução normal (carga de trabalho) e 5 kN máximo em caso de choque (carga no pior dos casos). Todas estas forças carregam as hastes exclusivamente em tracção.

As especificações dos cursos negativo e positivo da roda foram utilizadas para desenhar a mola foliar e não são importantes para a escolha da haste, desde que seja significativamente mais rígida do que a mola foliar.

Na figura 3, é mostrada a cinemática da suspensão, através das duas posições extremas nas vistas lateral e frontal.

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Figura 3

Esquemática da cinemática da suspensão, a haste é representada em vermelho.

Um requisito geral para este elemento é ser comercial e possivelmente certificado para uma carga específica. Isto excluiu a possibilidade de utilizar um elemento feito de fio de aço cravado que teria sido muito eficaz, mas não estão disponíveis para cargas tão elevadas em pequenas dimensões (inferiores a 150 mm, todas incluídas).

Diferente da solução metálica, um componente polimérico deve ser avaliado em relação ao comportamento viscoplástico dependente do tempo que é descrito na próxima seção.

2.1. Avaliação da Ratchetagem

Uma vez que o peso do veículo vazio na suspensão dianteira representa uma fração muito pequena da carga de ruptura, devido à iminência da primeira corrida do veículo solar, foi decidido saltar uma campanha de teste de creep-teste demorado e os componentes foram testados diretamente em condições de catchetagem.

Foi realizado um teste cíclico com carga controlada em uma máquina servo-hidráulica Instron 8033, equipada com uma célula de carga de 25 kN. A freqüência foi de 0,5 Hz e a relação de carga variável, mas mantendo sempre a carga mínima a 1 kN (correspondente a uma quota do peso do veículo e dos passageiros em uma única roda dianteira). Na Figura 4, é possível ver o sistema de carga da amostra.

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Figura 4

>Exemplo polimérico montado nas garras e carregado em tensão.

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Foram realizados três tipos de testes, todos com carga cíclica sinusoidal, em três corpos de prova cada:(i)Teste de passo à ruptura, no qual, mantendo constante a carga mínima a 1 KN, a carga máxima foi elevada para 2 kN a cada 10 ciclos(ii)Teste cíclico entre 1 e 2 kN para 10000 ciclos a 0.5 Hz que é a condição normal de condução durante a corrida(iii)Ensaio cíclico entre 1 e 5 kN para 10000 ciclos a 0,5 Hz que é a pior condição a ser enfrentada num número muito limitado de vezes (10-20) durante a corrida. Depois, um período de descanso de 7 dias a uma carga constante de 1 kN. Depois, na mesma haste, um teste cíclico entre 1 e 2 kN para 10000 ciclos a 0,5 Hz

3. Resultados e Discussão

3,1. Projeto da haste: Projeto Convencional por Hastes de Alumínio e Conexões Esféricas

A solução comercial óbvia é uma haste de alumínio com duas conexões esféricas, como pode ser visto na Figura 5, que é calculada de acordo com a ISO 12240-4 do catálogo disponível, por exemplo, em . Considerando as cargas acima mencionadas, obtém-se um par de cabeças esféricas comerciais, escolhidas entre os tipos mostrados na Tabela 1, unidas por um pilar de alumínio. O comprimento total mínimo () da haste passa a variar de 78 a 108 mm e o peso total varia de 26 a 52 gramas mais poucas gramas do peso do pilar de alumínio.

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Figura 5

4382>Solução metálica convencional.

A rigidez da haste é dominada pela parte de alumínio um, mas não é um problema assim que é muito maior que a mola um.

Por outro lado, neste caso, o comprimento mínimo é determinado pela geometria da cabeça e também o diâmetro da cabeça de um lado pode ser muito grande para caber na mola da folha, e do outro, o diâmetro do pino de ligação () é limitado a 6 mm devido ao tamanho do furo da cabeça. Isto pode ser um problema na conexão ao elemento lambda devido às altas pressões de contato nas placas CFRP.

3.2. Desenho não convencional por Elementos Poliméricos

Segundo estas considerações, foi investigada a possibilidade de usar um elemento polimérico comercial. Foram testados cabos de Kevlar com diâmetro de 12 mm e resistência nominal de 20 kN, mas o encruamento teve os mesmos problemas encontrados no caso dos fios metálicos e o fato de fazer nós leva a uma redução acentuada (e difícil de prever) da resistência nominal, eliminando desta forma a vantagem do componente comercial. Na Figura 6, é mostrado o efeito de diferentes tipos de nós sobre o comportamento quasistático da corda. Pode-se observar que o aperto do nó é responsável por grandes deslocamentos com carga muito limitada. Em nenhum caso, a resistência final é próxima da nominal e também a rigidez geral não é adequada para a aplicação.

Figura 6

Comportamento mecânico de uma corda de Kevlar com diferentes tipos de nós.

Finalmente, uma faixa cosida de Dyneema utilizada para escalada de montanha e classificada com marcação de certificação CE para 22 kN, mostrada na Figura 7, foi identificada como uma solução possível.

Figura 7

>22 kN classificação comercial da tira cosida Dyneema.

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Indeed, o comprimento mínimo é 100 mm, o peso é 6 gramas, a largura é 10 mm, e o diâmetro da cabeça é igual ao diâmetro do pino mais duas vezes a espessura da tira que é 2 mm. Estas tiras podem ser conectadas à mola foliar e ao elemento superior lambda por meio de pinos de 12 mm, levando a uma pressão de contato bastante baixa no compósito.

3.3. Comportamento de Ratchetagem

Na Figura 8, um resultado típico de teste de passo é mostrado. Um comportamento de catraca, mais evidente nos primeiros ciclos, pode ser visto, correspondendo às cargas mais baixas. A carga de ruptura é maior que a carga certificada e corresponde a um deslocamento de 14 mm.

Figura 8

Resultados do teste de degrau.

Figure 9 mostra o deslocamento máximo, em vermelho, e mínimo, em azul, correspondendo à carga máxima (5 kN) e mínima (1 kN) dentro do ciclo, respectivamente.

Figura 9

Resultados do teste de catraca 1-5 kN.

Pode-se mostrar que, após um forte aumento nos primeiros ciclos, o efeito de catraca tende a diminuir.

Na Figura 10, os resultados típicos dos três testes são mostrados (note que neste caso o número de ciclos está em uma escala logarítmica). É possível apreciar o efeito estabilizador sobre as amostras carregadas de 1-2 kN de uma carga anterior de 1-5 kN. Assim, as tiras pré-carregadas começam a partir de um comprimento 2,6 mm superior ao comercial, mas o comportamento da catraca devido à carga de serviço (1-2 kN) é dramaticamente reduzido. Isto pode ser explicado através de dois fenômenos diferentes que ocorrem durante a carga entre 1 e 5 kN em duas escalas dimensionais diferentes. A nível molecular, as longas cadeias de polietileno do cordão único ficam alinhadas ao longo da direção da carga. A nível microscópico, os fios da trama e do urdume da tira são compactados e alinhados ao longo da direção da carga, como mostrado nas micrografias eletrônicas de varredura da Figura 11, onde as tiras virgens e treinadas são comparadas.

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Figura 10

4382>Resultados do teste de catraca em diferentes seqüências de carga.

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(a)

(b)

(a)
(b)

Figura 11

Scanning electron microscope images: (a) amostra virgem, (b) amostra após um teste de 1-5 kN.

Os resultados mostram que é possível utilizar a haste de UHMWPE, tomando a precaução de treiná-la antes de montá-la com uma carga superior à nominal, a fim de registrar a suspensão com o comprimento inicial correto.

O protocolo de treinamento sugerido é o seguinte:(i)verificar se a carga máxima do pior caso é inferior à carga máxima nominal dividida por um factor de segurança adequado (quanto maior o factor de segurança, menor o alongamento da tira na fase de treino)(ii)aplicar a carga máxima do pior caso durante um número de ciclos coerente com a duração da missão do componente, com uma frequência realista(iii)manter a haste estaticamente no nível mínimo da carga cíclica durante o mesmo período de tempo do treino cíclico(iv)medir o comprimento da haste para adaptar a montagem

4. Conclusões

O desenho de uma haste para uma suspensão de veículo leve foi mostrado. A análise das possíveis soluções de desenho, ou seja uma haste metálica convencional com ligações esféricas comerciais e um elemento UHMWPE polimérico comercial, mostrou que esta última foi capaz de proporcionar algumas vantagens competitivas, em termos de peso e dimensões reduzidas.

No entanto, verificou-se que, neste caso, o comportamento de rastejamento e de catraca poderia ser um problema, devido a dois mecanismos principais: o alinhamento a nível molecular das cadeias longas de polietileno e a compactação e alinhamento na direção da carga dos fios da trama e da urdidura da tira a nível microscópico.

Testes experimentais mecânicos cíclicos adequados demonstraram que, após a aplicação da carga de trabalho e do pior caso, o alongamento da haste a uma carga de 1 kN foi de 2 e 3,2 mm, respectivamente.

Aplicando um protocolo de treinamento específico, foi obtida uma estabilização total da haste em relação à catraca, com um leve alongamento, que deve ser levado em consideração, em relação aos componentes não-treinados.

As hastes de UHMWPE treinadas foram qualificadas para a suspensão por meio dos testes mencionados, tanto no que diz respeito à carga máxima quanto à estabilidade dimensional, e foram realmente montadas no Veículo Cruiser-Class “Emilia 4” que venceu a edição de 2018 do American Solar Challenge.

Conflitos de Interesse

Os autores declaram não ter conflitos de interesse.

Acreditação

Esta pesquisa foi apoiada pela Onda Solare Solar Car Association. Finalmente, um agradecimento especial a Ana Pavlovic, Giacomo Baschetti, e Davide Peghetti por suas contribuições pessoais. Esta pesquisa foi financiada pelo Ministério Italiano das Relações Exteriores e Cooperação Internacional (MAECI) através dos Projetos Conjuntos de Pesquisa de Particular Relevância, com um projeto denominado “Dois Lugares para um Carro Solar” dentro do Programa Executivo de Cooperação entre Itália e Sérvia no campo da ciência e tecnologia.