Cubos de roda projetados para aplicações de corrida são geralmente feitos de aço de alta resistência. São basicamente cilindros que fazem a ligação entre a transmissão e a roda. Nas corridas, o cubo da roda tem paredes finas para reduzir seu peso. Embora tenha uma forma simples, um cubo de roda concentra muitas funções que requerem algumas características e tecnologias importantes em sua fabricação. Este artigo propõe uma breve revisão de todas as características dos cubos das rodas dos carros de corrida e também apresenta algumas estratégias de projeto para este componente.

Recursos do cubo da roda

Os cubos das rodas têm os pontos de fixação da roda. Daí é possível entender que existe algum estresse nessa região, devido à carga de aperto gerada pela porca ou pelos parafusos da roda. O que os torna tão importantes é a tração gerada pelos componentes de fixação. Uma delas é a porca da roda e a outra é a porca do rolamento. Ambos fixam o cubo na vertical, mas primeiro um fixa o aro da roda e depois fornece a fixação para o rolamento. Um espaçador é introduzido entre os rolamentos, estes são montados dentro do montante. Assim que os rolamentos estão em seus alojamentos e o cubo é montado, o espaçador pressiona a pista interna do rolamento interno, o que resulta em pouca folga entre este e a esfera. Finalmente, a porca da roda é apertada, a força gerada sobre a pista interna do rolamento interno supera o espaçador, que se comporta como uma mola, já que este é feito de aço e possui propriedades elásticas. O resultado é o preenchimento da lacuna entre a pista interna e a bola. Portanto, há um torque de fricção excessivo para girar a roda.

Existem alguns procedimentos para definir o torque necessário na porca do mancal para uma fixação adequada. Um torque excessivo gerará superaquecimento das esferas do mancal. Isso altera suas propriedades e os torna fracos. Não existe esse sensor para monitorar a temperatura dos mancais, mas é possível garantir o seu bom funcionamento, sem atrito excessivo, com a fixação na porca da roda e na porca do mancal. Normalmente a porca do rolamento é definida quando a roda é fixada no cubo. Um medidor de torque é usado para registrar o torque para girar a roda. A roda está girando enquanto o rolamento está sendo fixado, assim que o torque da roda aumenta até o valor limite, a porca do rolamento é definida. Uma vez que a porca do rolamento e a porca da roda estejam devidamente fixadas, o cubo fica exposto às cargas geradas por estas, são chamadas de Cargas de Fixação. São forças de tração que esticam o cubo da roda. Além disso, também geram um momento fletor sobre estes, que é a parte crítica dessas cargas. No entanto, as cargas de aperto são analisadas na condição estática, uma vez que o carro está em movimento, estas são adicionadas pelas cargas nas rodas.

Outras características importantes estão relacionadas à seção do cubo da roda, onde componentes importantes são a campânula do disco de freio, os pinos e o aro. Esta seção geralmente experimenta uma grande transição de diâmetro menor para maior, portanto, ocorrerá uma concentração de tensões nesse ponto. Além disso, existem também alguns recursos tecnológicos como o entalhe que evita uma concentração excessiva de tensões. Por esta razão, a quantidade de material, portanto, a espessura do cubo, nessa seção é aumentada.

Cavilhas de roda

Em alguma literatura, o cubo da roda é referido como o componente que transfere o torque do motor ou sistema de freio para a roda. Isso não é totalmente verdade. Na verdade, na montagem vertical (Figura 3), o cubo da roda é fixado pela porca da roda e pela porca do mancal. Porém, existem outros componentes que atuam como auxiliares na montagem do cubo. Eles são uma espécie de parafuso do flange do disco de freio e da cavilha ou pino da roda. Este último é um pino de aço de alta resistência com montagem press-fitting. O objetivo deste pino é fornecer um meio robusto para transferir o torque para a roda. Embora esta função seja da porca da roda, os pinos são um componente auxiliar em caso de perda da força de aperto da porca da roda. No entanto, normalmente os pinos não carregam nenhuma carga quando as porcas são montadas corretamente.

Os pinos da roda funcionam durante a frenagem ou aceleração. Na primeira condição, eles transferem o torque de frenagem para a roda. No entanto, nesta condição, a porca da roda ajuda os pinos criando uma força axial. O projeto do pino geralmente assume uma abordagem conservadora, na qual o torque de frenagem total flui através dos pinos. A montagem de pinos mais comum é através de roscas no cubo da roda. O problema desse conceito é que gera um estresse desnecessário no cubo, já que os pinos não são componentes de fixação. De fato, os pinos estão expostos a uma pequena pressão, mas a carga crítica é a de cisalhamento. No entanto, a abordagem usando slots e o ajuste de forma resulta em cubos e pinos otimizados e mais leves. Além disso, a concentração de tensão das roscas dá lugar a um empilhamento de tolerância controlada.

Existem dois pontos críticos devido às folgas entre o bolso do cubo e o pino. O primeiro é relativo ao espaço entre a parede circular do bolso e o pino. O objetivo é projetar em encaixe de pressão que o torne cerca de 0,2 – 0,3 mm da parede. Como o pino está sendo tensionado radialmente, é mais eficiente manter o ponto de contato, em vez de distribuir a tensão pela parede que não fornecerá nenhum torque.

Há também uma lacuna entre o pino e a superfície do receptáculo da cavilha no cubo. Este é preenchido quando a porca da roda é apertada. A roda é pressionada contra o flange do cubo e a folga dos rolamentos e pinos é zerada. A folga entre as paredes laterais é deixada por motivos de manutenção. Na verdade, esta configuração de cubo é geralmente adotada em carros de corrida NASCAR ou Endurance, o que pode exigir a troca do disco de freio durante a corrida. Esta é uma manutenção crítica durante a corrida porque os pinos e o novo freio a disco estão em temperaturas diferentes. Assim os pinos se expandem devido à dilatação térmica, portanto a tolerância destes também deve levar em conta que nesta situação o disco deve entrar com facilidade. Os pinos são projetados para facilitar a troca do freio a disco nessa situação, em que o cubo costuma estar mais quente que o flange do freio a disco. Na verdade, um é feito de aço de alta resistência e o flange do freio a disco é feito de alumínio. Outro detalhe importante sobre os pinos é o seu comprimento. Deve ser longo o suficiente para evitar que os mecânicos comecem a apertar a porca da roda com a roda sobre o pino.

Wheel bearings

Na área automotiva existem principalmente três tipos de rolamentos de cubo de roda, eles são basicamente a evolução desses componentes. Estes são chamados de rolamentos de roda de 1ª, 2ª e 3ª geração. A principal diferença entre eles está relacionada às pistas. O cubo da roda de primeira geração, também chamado de Unidade de Rolamento do Cubo, é basicamente um rolamento de esferas montado entre a barra vertical e o cubo. Daí as características destes geralmente serem encontradas em catálogos. Sua vantagem são os custos de manutenção, que são baixos. Além disso, o custo de uma HBU de primeira geração é menor em relação às outras gerações. Não vai precisar de ajustes ou espaçadores, é só montagem. Para funcionar corretamente, as esferas devem ser lubrificadas. Isso é feito por graxa. Portanto, cada rolamento o possui dentro da pista e entre as esferas. Se a temperatura ficar muito alta (devido ao atrito entre as esferas e as pistas), essa graxa se torna líquida e vaza dos mancais. Quando esta é vedada, o resultado é mais torque para girar a roda, pois a vedação evita o vazamento da graxa e a entrada de sujeira do ambiente. Porém, essa mesma vedação cria uma resistência significativa ao girar, enquanto rolamentos sem vedação, apenas uma tampa, essa resistência é menor. Por outro lado, a durabilidade é menor, pois a proteção proporcionada pela touca contra sujeira e umidade também é menor. Portanto, é uma troca.

A unidade de rolamento de cubo de segunda geração é caracterizada pela simplificação da montagem de montante, rolamento de roda e cubo de roda. Normalmente a parte externa dos rolamentos é usinada ou montada na vertical ou no cubo. Como esses componentes, no campo das corridas, são projetados com foco em uma construção leve, isso resulta em uma montagem completa e leve de montante, rolamento e cubo da roda. No entanto, requer um processo de produção mais preciso, pois a seção do rolamento deve ser usinada com precisão. Além disso, a manutenção desse tipo de HBU requer maior atenção quanto à tolerância e ao torque da porca do mancal. Além disso, o custo disso é maior do que a HBU de primeira geração.

A HBU de terceira geração é uma evolução definitiva deste componente. Agora o rolamento do cubo faz parte do cubo da roda em um componente exclusivo. Isso reduz o custo de manutenção, aumenta a durabilidade, mas resulta em componentes pesados para carros de corrida. Apesar de compacto, não é viável a aplicação de cubos de roda de corrida. Porém como este componente é amplamente utilizado em veículos de produção em série, é possível encontrar algumas séries de corridas em que os carros utilizam este tipo de cubo. Por exemplo, carros de turismo e carros de grande turismo.

Características do rolamento da roda

Uma característica importante de algumas aplicações dos rolamentos de roda é o chanfro geralmente usinado na pista interna da mesma. Isso é feito devido à posição em que os rolamentos são montados. Eles geralmente são posicionados próximos ao flange do cubo, que é uma seção de alta concentração de tensão. Um entalhe é usinado no cubo para reduzir esse ponto crítico, porém as bordas do rolamento podem danificar o entalhe e resultar em falha, pois essa seção é muito solicitada. Por esse motivo, um chanfro geralmente é usinado no rolamento e outros componentes montados nessa seção do cubo.

Análise do cubo de roda

Entender que o cubo da roda está exposto estaticamente a uma pré-carga causada pelas cargas de aperto não é suficiente para definir sua tensão total. De fato, dinamicamente a situação é diferente. Estes são contabilizados juntamente com os componentes laterais e verticais das cargas das rodas. Nessas primeiras considerações, as cargas de uso indevido não são consideradas. Para um cálculo manual rápido, a teoria do feixe é suficiente para recuperar números qualitativamente bons. O analista deve ter em mente a seção principal do cubo, que é aquela onde está sua flange, e verificar o esforço nessa parte. Esta seção é crítica devido a alguns fatores como, variação de diâmetro, raios de entalhes, furos e cargas de fixação. Portanto, um desenho de seção deste cubo pode ser desenhado junto com as cargas em consideração para ilustrar isso. Considerando que as pré-cargas (de rolamentos e cargas de aperto) são as cargas estáticas e as verticais e laterais (Fz e Fy, respectivamente) são as dinâmicas, o desenho pode ser visto na Figura 11. Se as cargas forem deslocadas ao nível do centro de gravidade do cubo, a análise é mais fácil de ser realizada. Porém, para isso devem ser considerados momentos adicionais para equilibrar o sistema. Portanto, o diagrama de corpo livre assume dois momentos devido às cargas vertical e lateral. As componentes da pré-carga são consideradas apenas a tensão de cisalhamento, enquanto a carga de flexão gerada por ela é desprezada devido a sua magnitude, muito baixa se comparada com as componentes vertical e lateral. Também é possível visualizar todas as características de um cubo de roda, seus entalhes, furos e espessura. Todos eles estão na seção crítica, o que resulta em um alto fator de concentração de tensão.

Uma estimativa das tensões ao longo do tempo em que o veículo está em operação também pode ser feita. Considerando um movimento direto, as tensões podem ser facilmente estimadas, uma vez que o cubo é um componente cilíndrico que gira, portanto, a variação de tensão deve ser próxima a um sinodal. Como pode ser visto, as componentes das cargas dinâmicas da roda (Fz) estão constantemente oscilando enquanto a componente devido à pré-carga é constante. Se forem somados, pode-se ver como a tensão total oscila à medida que o cubo da roda gira. Uma conclusão importante sobre essas suposições é que não há necessidade de solicitar uma análise de elementos finitos para obter algumas informações sobre as tensões na seção crítica do cubo da roda, apenas a teoria da viga e algumas tabelas. A preocupação é até que ponto esses diagramas e cálculos estão próximos o suficiente do problema em consideração. De fato, o ponto mais importante desta análise é o fator de concentração de tensões, dado por Kt e Ks.

Estes podem ser dados por tabelas desenvolvidas após anos de pesquisa. Assim, uma vez que se assumiu que a análise é baseada na teoria das vigas, pode-se utilizar a tabela de concentração de tensões. Este responde por duas características importantes que estão no cubo, diâmetros e entalhes diferentes. Normalmente, a variação do diâmetro em um eixo, eixo ou viga, resulta em uma variação abrupta da seção transversal. Isso está diretamente relacionado ao momento de inércia do componente. Além disso, o ponto entre o diâmetro menor e o maior é separado por uma aresta viva. No entanto, o uso de entalhes mostra que a concentração de tensões é drasticamente reduzida. Assim, a concentração de tensão do cubo depende do raio do entalhe e da razão entre o maior e o menor diâmetro (D/d). Uma vez que o Kt e o Ks são encontrados, é possível calcular a tensão máxima de flexão devido ao esforço no cubo. Na verdade, Kt é a razão entre a tensão de flexão máxima e a tensão de flexão nominal. O último é calculado diretamente pela fórmula e depende do momento gerado pelo forçamento e do momento de inércia. No entanto, o momento fletor máximo depende do fator de concentração de tensão. Portanto, o ponto mais crítico do cubo está sempre no ponto onde a seção muda e onde existem furos e entalhes.

Design para rigidez e espessura

O dimensionamento para rigidez é um procedimento que leva em consideração a seção do componente que está exposta à maior quantidade de carga. Como existe a equação de Haigh, seu efeito em um componente pode ser uma quantidade diferente de material ao longo da seção transversal como pode ser visto no desenho do cubo. Um hub de um carro de corrida está cheio de recursos devido às muitas funções que executa. Como já se sabe, o ponto crítico é a seção onde a porca da roda, o aro e a campânula são montados. O motivo é o fluxo das cargas naquela seção. Embora existam características importantes, como os chanfros no sino do disco e no aro, esses componentes podem ser considerados um grande bloco preso ao cubo da roda.

Este exerce uma grande força nos pontos de fixação do cubo, portanto, uma considerável tensão de flexão naquela seção, conforme já visto. Como essa seção é tão solicitada, a decisão do projeto de usar Kt ou Kf é muito importante. Nesse ponto, a quantidade de material é aumentada de propósito para suportar as cargas e as concentrações de tensão. O principal objetivo desta abordagem é garantir um cubo que não se deforme quando estiver em serviço. Se isso acontecer, o contato entre os rolamentos e o cubo ficará comprometido. Isso deve ser uniforme em todo o comprimento da pista interna. Quando o cubo distorcer nessa seção por qualquer motivo, o rolamento estará em contato com uma parte do trilho interno. O resultado é um ponto de concentração de tensão.

Referências

1. Norton, Robert. Machinery Design, McGran Hill, 4th Edition;
2. McKelvey S. A. Yung–Li L. Barkley, M. E. Stress-Based Uniaxial Fatigue Analysis Using Methods Described in FKM-Guideline. J. Fail. Anal. and Preven., 12, 445-484, 2012;
3. SKF guidelines website;
4. Pedersen, M. M. Introduction to Metal Fatigue. Aarhus University, 91, 2018, ISSN: 2245-4594.