O procedimento para avaliar a vida à fadiga em componentes para carros de corrida geralmente é baseado em três fontes principais de informações, regulamentos, meta de desempenho e dados de rastreamento. Isso pode variar de acordo com a cultura da empresa, mas geralmente o diagrama g-g é o principal dado fornecido pelos sistemas de aquisição de dados. Simuladores de direção e análise de elementos finitos (FEA) também são usados como ferramentas para avaliar a vida à fadiga de um componente. O principal objetivo do cálculo da vida em fadiga é evitar uma falha durante uma corrida e uma saída. Além disso, também ajuda a reduzir o peso e o custo das peças. O procedimento pode seguir três etapas:

• Calcular o ciclo de fadiga usando todas as cargas de fadiga;
• Calcule o ciclo de fadiga usando todas ou 95% das cargas da via;
• Calcule o ciclo de fadiga usando os dados da simulação.

O diagrama g-g é construído a partir de informações do departamento de dinâmica veicular e dados reais de sistemas de aquisição, como Cosworth e Motec. A primeira é utilizada para definir uma estimativa inicial do desempenho do veículo, normalmente referido como o que deveria ser. Portanto, os dados reais são plotados no mesmo diagrama. A diferença entre “o que deveria ser” e “o que realmente é” não deve ser grande, porque isso significa que o carro real é muito pesado ou muito lento. Depois de definido o diagrama g-g, o gráfico dos dados reais é subdividido em 2 ou 3 grupos. Estes são os pontos que devem estar dentro do limite de estimativa inicial. A população geralmente é definida pela porcentagem de informações usadas, portanto, P100, P95, P50 e P0, o que significa 100, 95, 50 e 0 por cento das cargas da via. É importante mencionar que estes não contabilizam as cargas de uso indevido. Embora existam muitos pontos no diagrama e cada um deles represente uma manobra do veículo, apenas nove deles são realmente importantes na avaliação da fadiga:

• Kerbs;
• Frenagem pura;
• Roda exterior em curva com travagem combinada;
• Externo de curvas puro;
• Roda externa de curva de aceleração combinada;
• Aceleração pura;
• Roda interior em curva com travagem combinada;
• Puro interior de curvas;
• Roda interna de curva de aceleração combinada.

No entanto, o cálculo da fadiga não considera todos os eventos enfrentados pelo carro, mas apenas os críticos. Isso é chamado de abordagem conservadora, porque o veículo não está exposto a esse nível de forçamento o tempo todo. Na verdade, um ciclo ocorre quando todas as cargas acima mencionadas são aplicadas na sequência listada. Isso é aplicado à distância da volta. Uma volta geralmente é avaliada pelo tempo, mas neste caso é considerada a distância. Portanto, deve correlacionar a distância (km) com os ciclos, que 1,5 ciclo por 1 km. Ou seja, as cargas listadas acima em sequência se repetem 1,5x em 1 km. Os cálculos de fadiga são baseados em ciclos de declarações iniciais, 100 ou 95 por cento das cargas da via (Figura 2). Uma vez estabelecido o ciclo, são introduzidos os forçamentos e é calculada a quilometragem da falha. Obviamente que conforme as cargas são maiores, a quilometragem ficou menor. Os resultados, na verdade, sugerem se é mais seguro ficar mais fino e leve com a seção transversal dos componentes, que é o principal objetivo no campo das corridas. Depois de definido o componente, as quilometragens informadas nos manuais são sempre menores do que o componente é realmente capaz de suportar. Isso ajuda a manter os clientes sob controle em relação aos intervalos de manutenção desses componentes.

Como visto nas Figuras 2 e 3, após definidas as linhas para a estimativa inicial (vermelha), 100% (azul) e 95% (verde), as populações entre P100 e P95 são transpostas para o limite P100, estas irão ser o representante de 5% da vida total da peça. As populações de P95 até P0 são transpostas para o limite P95. Portanto, este caso representa o ciclo de vida de 95% da vida total da peça submetida às cargas da via. Por exemplo, se a peça considerada deve operar por 30.000 km, então a quantidade de ciclos será de 45.000. Além disso, o P100 representará apenas 1500 km ou 2250 ciclos enquanto o P95, 28500 km ou 42750 ciclos.

Essa abordagem pode variar de acordo com as montadoras, por exemplo, há casos em que oito pontos são levados em consideração, como pode ser visto na Figura 4.

Esses oito pontos são relativos aos pontos mais críticos que um carro de corrida deve oferecer. Portanto, toda a população sob esses limites é reduzida a esses pontos e submetida a 1,5 ciclos por 1 km. Isso pode ser calculado pela revolução do pneu, que é convertida em km. Além disso, com o conhecimento do trajeto da pista, é possível avaliar o quanto o carro é solicitado em cada trecho da pista.

Procedimento de cálculo de fadiga do cubo de roda

O cubo da roda é um componente rotativo, portanto seu cálculo de fadiga tem algumas etapas diferentes em relação a componentes como fúrculas e montantes. Basicamente, o método segue três abordagens consecutivas:

1) Abordagem usual;
2) Repetição discretizado;
3) Repetição com espectro total.

Abordagem usual

Basicamente é a mesma abordagem realizada para o wishbone, o departamento de veículos é a fonte dos dados da pista ou do simulador. No entanto, o cálculo da fadiga é realizado apenas para a maior carga atingida pelo carro. Assim, assume-se que o dano é acumulado pela situação de curva pura, ou seja, quando o veículo está próximo ao ápice da curva e sem qualquer aceleração longitudinal, todo o potencial do pneu está sendo utilizado para a curva. Além disso, é considerada a roda externa. Conforme aplicado para wishbones, o ciclo é repetido 1,5 vezes a cada quilômetro. No entanto, para o cubo da roda, o ciclo é composto por roda externa de curva pura a 0 ̊ e 180 ̊. Em outras palavras, a carga a que a roda externa é submetida quando o carro está em uma curva do lado esquerdo e depois faz uma curva do lado direito. As cargas consideradas são os 100% das cargas de projeto, que são aquelas definidas nos requisitos de projeto pelo departamento de dinâmica veicular. Isso representa o desempenho máximo alcançável do carro.

Repetição discretizada

Esta abordagem é uma extensão da anterior que assumia apenas curvas puras. Como esta é apenas uma das muitas manobras que um carro de corrida costuma fazer em um autódromo, as demais são simplificadas em manobras representativas.

O departamento de dinâmica do veículo costuma dar a quilometragem do carro de corrida (Figura 7). Este é o dado sobre a quilometragem percorrida em cada carregamento. Por exemplo, a Figura 7 ilustra que o veículo percorre apenas 7,5 km em curvas puras fora de 100% das cargas de projeto. No entanto, percorre 120 km com 95% das cargas de projeto. Os valores ilustrados acima foram normalizados por uma distância de 1000 km. Portanto, para 1000 km, este carro percorreu 120 km com 95% de carga externa de curva pura. Como pode ser notado, existem dados em 100% e 95% das cargas de projeto, chamadas de altas e baixas, respectivamente. Como são muitas as cargas a que um carro de corrida é exposto em uma volta e já se sabe que a curva pura é uma das mais altas, as demais cargas são simplificadas entre curva pura, frenagem pura e aceleração pura por manobras intermediárias. Estes também são dados em condições altas e baixas.

Neste caso, a rotina de análise vista na Figura 8 pode ser resumida abaixo:

• Curva pura baixa 0 ̊;
• Curvas puras baixas 180 ̊;
• Curva pura alta 0 ̊;
• Altura pura nas curvas 180 ̊;
• Manobra baixa 0 ̊;
• Manobra baixa 180 ̊;
• Manobra alta 0 ̊;
• Manobra alta 180 ̊.

Este ciclo também se repete 1,5 vez por quilômetro. Uma versão simplificada desta abordagem é aquela que considera apenas a manobra de curva pura, mas com mais percentis das cargas de projeto.

A Figura 9 ilustra que 100, 95, 90 e qualquer percentil específico das cargas de projeto são considerados e a fadiga é acumulada para cada um desses casos. Assim, a rotina do dano acumulado por fadiga é:

Ciclo de fadiga com 100% de carga para n100 ciclos
Curva pura exterior/interior a 100% e 0 ̊;
Curva pura exterior/interior a 100% e 180 ̊;
+
Ciclo de fadiga com carga de 95% para ciclos n95
Curva pura exterior/interior a 95% e 0 ̊;
Curva pura exterior/interior a 95% e 180 ̊;
+
Ciclo de fadiga a 90% de carga para n90 ciclos
Curva pura exterior/interior a 90% e 0 ̊;
Curva pura exterior/interior a 90% e 180 ̊;
+
Ciclo de fadiga com x% de carga para nx ciclos
Curva pura externa/interna em x% e 0 ̊;
Curva pura externa/interna em x% e 180 ̊;

O último percentil é definido de acordo com os requisitos de projeto e aplicação, geralmente é um percentil específico para avaliar uma carga ou situação específica.

Repetição de faixa de espectro total

Esta abordagem considera novamente a manobra de curva pura, mas usando dados reais de aceleração lateral do carro que são aplicados diretamente no cubo da roda. Portanto, é considerado o canto externo puro para canto esquerdo e direito, 180 ̊ e 0 ̊, respectivamente. Portanto, um FEA é alimentado com esses dados para realizar a simulação de fadiga.

Comentários para análise de fadiga de um braço de suspensão (wishbone)

Considerando dois tubos que devem ser conectados para formar o braço de suspensão da fúrcula. A junção é feita por soldagem de uma peça chamada gasset (Figura 10). Este perfil tem a função de unir os dois tubos e melhorar a rigidez da fúrcula naquela região. Isso é feito porque a soldagem é uma fonte comum de falhas. Como os triângulos sofrem alguma flambagem e as regiões nesse ponto do triângulo ficam expostas a altas temperaturas devido ao sistema de freio, portanto, são zonas afetadas aquecidas (ZAC). Apenas um HAZ é capaz de reduzir UTS e YTS em cerca de 10/15%. Os principais materiais utilizados para os tubos são as ligas de aço 25CD4, 15CDV6 e 4130.

Hoje em dia, as empresas de carros de corrida têm muitos recursos para levantar dados sobre um futuro veículo que está em processo de design. Por exemplo, os simuladores de condução podem fornecer dados muito próximos da realidade. Porém este método ainda é um tanto conservador, já que nem sempre as voltas na pista são o máximo de desempenho do veículo. Assim, esta abordagem é, em alguns graus, semelhante à descrita nos parágrafos anteriores, utilizando o diagrama G-G.

Referências

• Este artigo é basicamente o meu entendimento sobre uma das palestras de Chassi e Body Design ministradas por Luca Pignacca e Gianni Nicoletto;
• Automotive papers, publicado em 6 de Fevereiro de 2023.