Relativamente ao funcionamento dos pneus existem vários parâmetros para avaliar o seu desempenho, são eles:

• Convergência/Divergência*;
• Cambagem;
• Temperatura;
• Pressão da inflação;
• Espessura da banda de rolamento;
• Stagger.

Alguns deles podem ser medidos e ajustados, mas a maioria apenas podem serem medidos.

Convergência estática

O ângulo de convergência é uma medida da inclinação da roda em relação ao plano vertical que passa pelo centro da roda e atinge a área de contato. É visto pela vista superior do carro. Quando o plano de duas rodas do mesmo eixo aponta para dentro, chama-se convergência, inversamente, quando aponta para fora, chama-se divergência. Normalmente, a convergência é um parâmetro ajustado em todas as quatro rodas de um carro de corrida. A medida é milímetros (mm), mas nas corridas americanas é comum encontrar a unidade de medida “thou” de milhares.

A Figura 2 ilustra que 10 thou é 0,010” e a roda analisada tem aro de 15”. Para medir o dedo do pé, um espaçador de 10 mil é colocado na roda. A diferença entre eles é convertida em graus, que é o ângulo de convergência. Assim, 10 mil é convertido para mm e dividido pelo diâmetro do aro também em mm, o valor obtido é um ângulo, mas em radianos, que deve ser convertido em graus. Isso pode ser feito multiplicando o resultado por 57. Portanto, 10 thou é igual a 0,04°. Além disso, 10 mil também é igual a 0,254 mm. Portanto, 40 mil é igual a 1 mm. A Figura 2 ilustra um espaçador de 2 mm, que adiciona 80 thou de convergência, ou incluindo 0,30° de divergência. O principal efeito do ângulo do dedo do pé é a estabilização do volante. Nas manobras de curva, a convergência ajuda o movimento de entrada e, ao frear, ajuda a trazer as rodas traseiras para a posição reta. Portanto, a convergência estabiliza o carro durante a frenagem. Por outro lado, a convergência motiva um retorno rápido da direção, que ocorre em uma condição instável. Em algumas séries de corrida, o dedo do pé é ajustado de forma diferente em cada roda, dependendo da pista. Por exemplo, em corridas ovais, o ajuste da ponta do pé costuma ser o seguinte:

Na Figura 3 as rodas dianteiras estão 4 mm para fora enquanto nas rodas traseiras tem valores diferentes, 4 mm para dentro e 2 mm para fora. Os efeitos devido ao ajuste das rodas dianteiras resultam em uma entrada de curva adequada, já que nas pistas ovais os carros giram apenas para um lado. Além disso, a direção é mais estável para controlar. A convergência ajustada na roda traseira direita atua para estabilizar o carro no movimento de entrada. Além disso, também fornece aderência em ângulos de deslizamento zero α. A divergência na roda traseira esquerda tem o mesmo efeito que na dianteira, mas para as rodas traseiras ajuda mais na tração.

Cambagem estático

A cambagem estática é um parâmetro importante do pneu e da suspensão. É a inclinação do plano central da roda em relação à linha vertical da área de contato do pneu. Normalmente, no campo do automobilismo, a curvatura é medida através do aro. Um dispositivo é conectado ao aro por três pontos de fixação. Estes são suficientes para estabelecer um plano, assim terá a mesma inclinação do plano do centro da roda. Em geral os carros de corrida rodam com cambagem negativa, ou seja, a roda tem uma inclinação que a parte superior do pneu aponta para dentro. Desta forma, o patch de contato estático muda, a parte interna da rosca concentrará a maior parte do contato. Como resultado, mais desgaste, calor, temperatura e aderência são gerados naquele ponto. A razão por trás da curvatura negativa em carros de corrida é devido à variação dinâmica dela quando o carro está rodando, principalmente nas curvas. Devido à transferência de carga, a roda dianteira interna perde carga e a cambagem torna-se menos negativa e propensa a neutro enquanto a roda dianteira externa ganha carga, portanto sua cambagem tende a ser mais negativa. Para evitar o camber neutro ou positivo na roda interna, o camber é definido como negativo. O efeito da variação de curvatura durante as curvas é chamado de ganho de curvatura. Embora isso seja muito mais observado em curvas, o ganho de cambagem pode ocorrer quando há variação no ângulo de rolagem e/ou deslocamento vertical da roda. Esses dois são chamados de ganho de curvatura de rolagem e ganho de curvatura de ressalto, respectivamente.

A teoria do ganho de camber começa pela variação do ângulo de rolagem, que geralmente ocorre nas curvas e é dada por ø. A Figura 5 ilustra o procedimento de cálculo. À medida que ø varia, a tendência é que o ângulo de cambagem também varie para acompanhar a rotação do eixo. Porém, uma variação de dγ implica em dZ uns, quando isso não ocorre significa que dø e o ângulo de cambagem delta Δγ são iguais. Este é um caso muito particular que não costuma ser visto no campo de corrida. Daí o correto é considerar dγ/dZ que deve ser encontrado. De fato, dZ está relacionado com a trajetória do veículo, pois ø também é a inclinação do eixo. Assim, dZ/dø é igual à metade da pista, t/2. É bastante simples encontrar a relação dγ/dø, uma vez que γ é a inclinação de dZ quando o carro está em uma curva. Portanto, o ganho de curvatura de ressalto (dZ/dø) sempre implica em certa quantidade de ganho de curvatura de rolamento (dγ/dø). Ou seja, deslocamentos verticais da roda resultam em variações de cambagem de acordo com a trajetória do veículo. O ângulo de cambagem pode ser medido e ajustado, é um parâmetro importante para o desempenho do pneu. Geralmente varia de acordo com o layout da pista. Por exemplo, a configuração de curvatura para uma pista oval é geralmente semelhante àquelas vistas na Figura 6.

Os ângulos de curvatura são representados pelos números verdes. Nas corridas ovais, os carros só fazem curvas à esquerda, por isso os pneus mais solicitados são os do lado direito. Estes pneus são ajustados com ângulos de cambagem negativos devido ao efeito de ganho de cambagem. Na roda dianteira direita este efeito é maior, portanto maior valor negativo observado. Nas rodas traseiras direitas, o valor é menor, mas ainda negativo para manter a melhor área de contato para ela nas curvas, já que esta roda é a responsável pela estabilidade do carro. As outras duas rodas são ajustadas com ângulos de cambagem positivos γ, porque devido à transferência de carga, elas se deslocam verticalmente. Com isso, ocorre o efeito de ganho de cambagem, mas, para evitar valores extremamente negativos, o camber é ajustado para positivo e então um valor neutro é obtido dentro do canto. É interessante observar os demais parâmetros de cada roda. As rodas do lado de fora (à direita, em ovais) são as mais carregadas, portanto têm uma pressão maior, 3 e 2,8 bar, dianteira e traseira, respectivamente. Outro motivo é a redução do comprimento da área de contato que favorece o desempenho nas retas, diminuindo a resistência ao rolamento e melhorando a velocidade máxima. Para a roda esquerda a pressão é menor, já que esta consideravelmente menos carregada que as direitas. Além disso, a menor pressão na frente melhora um pouco a área de contato, o que é bom para curvas. A configuração do camber para condições de chuva é diferente, valores negativos mais altos são usados para reduzir a área de contato e melhorar a temperatura do pneu. Como a pista está mais fria, os pneus perdem temperatura e devido à presença de água, eles devem ser aquecidos constantemente. A curvatura negativa excessiva muda a pressão de contato para a direção da parte interna da rosca e reduz o comprimento do remendo de contato. Este último ponto é bom para evitar aquaplanagem.

Pressão

A pressão de inflação é um dos principais parâmetros utilizados para o ajuste. Na verdade, apenas um aumento de pressão resulta em mais temperatura, mais calor e menos área de piso. Este parâmetro é complexo de ajustar, pois muda de acordo com vários outros parâmetros importantes. Durante a corrida, a pressão de inflação é medida por sensores nas válvulas de pressão dos pneus. Este sensor também mede a temperatura. No entanto, o ganho de temperatura durante a operação ocorre pela banda de rodagem. À medida que o pneu vai sendo usado, a banda de rodagem aquece e, por condução, transfere a energia para as paredes laterais destas para os aros. Estes não são apenas responsáveis pelo suporte das paredes laterais, como também aquecem o ar de insuflação. Quando fica mais quente, a pressão aumenta e deforma a rosca. Este ficou menor e sujeito a uma condição de superaquecimento. Daí a tendência é a redução da aderência.

A variação da pressão de inflação

A Figura 7 ilustra uma saída de três voltas e também como a pressão dos pneus varia ao longo da pista e voltas. Essa variação se deve às alternâncias da transferência de carga durante os ciclos consecutivos de re-aceleração, frenagem e curvas. Pela Figura 7 também é possível visualizar a diferença entre a evolução da pressão durante a saída. Na primeira volta a pressão dos pneus dianteiros e traseiros são praticamente iguais. Porém, após a segunda volta é possível notar o aumento da pressão média dianteira em relação às médias traseiras. Isso fica claro na terceira volta, onde fica clara a diferença entre a pressão média nos pneus dianteiros e traseiros. A lacuna pode ser uma pista de algumas situações. Primeiro, o carro pode ter uma configuração muito subesterçante, que faz com que os pneus dianteiros tenham um aumento exagerado de temperatura, pressão e desgaste, reduzindo assim a área de contato. Ao final do passeio é possível visualizar um estranho pico de temperatura. Isso ocorre devido ao calor absorvente. Embora os pneus sejam constantemente estimulados a ganhar calor, há apenas um aumento de pressão enquanto na temperatura isso não é percebido. Em vez disso, ciclos constantes de aumento e diminuição sugerem que a variação de pressão e temperatura atinge um processo de estado estacionário. Porém, o que realmente ocorre é a redução da espessura da banda de rodagem. A banda de rodagem é responsável pela aderência do pneu e pela temperatura do flash. À medida que a banda de rodagem desliza sobre a estrada, o atrito e o ângulo de escorregamento α geram calor, temperatura e aderência. Este calor é transferido para as paredes laterais e para o aro. Este é aquecido e transfere seu calor para o ar inflado dentro do pneu. O ar fica mais quente e se expande, essa deformação tensiona as paredes laterais e reduz a área de contato. Isso ajuda a aumentar a temperatura na área de contato. À medida que a banda de rodagem vai sendo consumida, cada vez menos borracha fica na banda de rodagem e, portanto, menos meios de trocar calor com o ar inflado. Portanto, o pneu começa a esfriar e perder aderência.

Rigidez de curva e coeficiente de atrito lateral (C e μ_lat)

Como o desempenho do pneu depende da pressão, é possível avaliar como este parâmetro resulta em variações no desempenho do pneu. Dois parâmetros estão principalmente correlacionados, a rigidez em curva (C) e o coeficiente de atrito lateral (μlat). Na verdade, essas são uma espécie de visão geral de como um pneu é capaz de fornecer aderência em uma situação de curva. A primeira, a rigidez nas curvas está correlacionada com a força vertical (Fz) e a pressão dos pneus (P). Como pode ser observado na Figura 8, a correlação de P e C não pode ser definida isoladamente, deve ser feita também verificando os efeitos de Fz. Portanto, pode-se estabelecer que quando Fz é baixo, o efeito de P em C é quase insignificante. Essa situação costuma ser observada em manobras de baixíssima velocidade, como em estacionamentos. Estes são caracterizados por ângulos de escorregamento α muito pequenos ou nulos. Porém, como a manobra está sendo realizada em maior velocidade, Fz naturalmente aumenta. Nesta situação, o efeito de P é claro. À medida que P aumenta, C também aumenta. Isso significa curvas de alta velocidade, manobras de mudança de linha e testes de slalon. Esses movimentos são caracterizados por um valor significativo de α. O efeito no veículo é que, à medida que P aumenta em manobras de alto Fz, C tende a aumentar. No mesmo Fz, mas com menor P, C diminui. Isso significa que α são necessários para produzir aderência. Assim, diminuir P aumenta a temperatura, a histerese, a aderência, mas também aumenta o desgaste da rosca e o esforço do motorista no volante.

Quando o mesmo é analisado do ponto de vista do coeficiente de atrito lateral (μlat) o gráfico é mais linear (Figura 9). De fato, C(F_z,P) é uma função monotômica. Assim, P também se comporta de maneira diferente quando F_z varia. Com cargas mais baixas, P se correlaciona linearmente com μlat. Portanto, isso sugere que em manobras de baixa velocidade é interessante uma pressão alta nos pneus. No entanto, à medida que F_z aumenta, a correlação μ_lat com P reduz sua inclinação. Em um F_z muito alto, P se correlaciona inversamente com F_z. Isso ocorre devido à variação da área de contato sob F_z. Para baixo F_z, P pode ser aumentado para fornecer mais calor na área de contato e, portanto, aderência. Quando a manobra ocorre em maior velocidade, P deve ser menor, pois uma pressão maior reduz a área de contato, superaquece e perde aderência. Assim, uma pressão mais baixa resulta em maior complacência da banda de rodagem, mais ângulos de deslizamento α, mais calor e aderência.

A Figura 10 ilustra como μ, F lateral, deflexão do pneu e penetração se correlacionam com F_z. Os pontos principais na Figura 10 são a penetração e a deflexão. A primeira apresenta um aumento não linear com F_z. Este é o mecanismo de fricção do pneu chamado recuo, que fornece a maior parte da aderência. A deflexão é a variação da banda de rodagem ao longo do aumento da carga. Um aumento linear pode ser observado, o que sugere que em F lateral alto as paredes laterais exibem uma grande distorção e, indiretamente, mais ângulos de escorregamento. Porém é interessante observar que conforme F_z aumenta, o coeficiente de atrito diminui. Isso sugere que em algum momento o pneu perde seu comportamento elástico ao entrar na zona de transição. Neste ponto, o coeficiente de atrito μ começa a diminuir. O ângulo de derrapagem α tornou-se excessivo e o pneu finalmente atingiu a zona de atrito, onde o pneu perdeu aderência, daí a força lateral F.

Temperatura

Existem algumas temperaturas relativas aos pneus, são estas:

• Temperatura do flash;
• Temperatura da banda de rodagem;
• Temperatura de carga.

A primeira é aquela na rosca durante a operação, a temperatura da banda de rodagem é aquela medida quando o carro entra no box. A última é a temperatura do volume, ou temperatura do ar de inflação. Um pneu de corrida opera aquecendo a banda de rodagem que por condução aquece as paredes laterais. Por estes o aro é aquecido, assim transfere calor para o ar de insuflação. A temperatura da banda de rodagem não define o volume, mas define em que velocidade o pneu atinge a temperatura de trabalho, ou seja, a aderência. A importância da temperatura a granel é a expansão do ar dentro do revestimento interno do pneu. Isso resulta na distorção da banda de rodagem, que reduz o contato e melhora o processo de aquecimento. A medição da temperatura é tão crítica que as equipes de corrida costumam ter procedimentos para realizá-la. O primeiro pneu a ser medido é o mais solicitado. Considerando o sentido anti-horário, o pneu dianteiro direito é o primeiro a ser medido, assim a sequência é traseiro direito, traseiro esquerdo, dianteiro esquerdo e dianteiro direito novamente, para medir a redução de temperatura.

A Figura 11 ilustra a tela de um sistema de aquisição de dados sobre a evolução da temperatura do piso durante um passeio. Como pode ser visto, a linha azul descreve um pneu que aquece mais rápido e é capaz de operar com o mesmo nível de aderência. A linha verde descreve um pneu que esquenta mais rápido do que o representado pela linha azul. No entanto, apresentou uma diminuição na aderência ao final do teste. O pneu descrito pela linha vermelha aumenta a aderência e a temperatura de forma mais progressiva, mas gera a mesma aderência que o pneu da linha azul. Por fim, é possível concluir, apenas visualizando a variação da temperatura da banda de rodagem, que o pneu da linha azul é mais sensível às variações de calor, os outros dois são mais suaves e trazem aderência mais lentamente.

Espessura da banda de rodagem

O volume da banda de rodagem do pneu é um depósito de energia química. No entanto, à medida que o piso se desgasta, essa energia diminui. Portanto, a medida da profundidade do piso é, em algum grau, a medida da energia disponível dentro do pneu. Uma pista que indica que a banda de rodagem está sendo consumida é a temperatura do pneu. Como a banda de rodagem é aquecida devido ao atrito com o asfalto, até o ponto em que a temperatura gerada é baixa, o pneu ainda tem borracha para ser consumida. É importante ter em conta que a aerodinâmica tem um efeito importante na temperatura do piso. Por exemplo, um carro de corrida configurado para desenvolver downforce excessivamente alto fornecerá aderência em ângulos de deslizamento muito baixos. Como resultado, o piso não aquecerá adequadamente e isso não pode ser confundido com baixa temperatura do piso devido a um pneu gasto.

Stagger

Em algumas séries de corrida, os pneus usados no eixo traseiro têm diâmetros diferentes. Isso é chamado de “stagger” e se tornou um parâmetro de ajuste em séries de corrida como Indycar, Nascar e Sprint Cars. O objetivo é proporcionar um efeito de diferencial para auxiliar em pistas ovais, já que o carro só vira para um lado e usa diferencial bloqueado. Os fabricantes de pneus fornecem diferentes tipos de pneus com stagger. Além disso, existe uma trena utilizada para medir a circunferência do pneu e avaliar a quantidade de stagger frio e a quente, que se refere à temperatura do pneu. Como um pneu quente distorce a banda de rodagem, é possível criar um efeito de stagger apenas inflando o pneu com uma pressão muito alta.

Exemplos de pressão e temperatura dos pneus

Para entender melhor os efeitos da pressão de inflação e da temperatura nos pneus, dois exemplos são propostos. Observações sobre as temperaturas medidas são feitas de acordo com a situação. A Figura 12 ilustra a primeira.

As temperaturas dos pneus são medidas durante um pit-stop, conforme a Figura 12 é possível fazer as seguintes observações sobre o pneu dianteiro esquerdo (FL):

• Fora da janela;
• A dispersão da temperatura indica muita curvatura, 8° em vez de 5°;
• Pneu com baixa pressão

O pneu dianteiro direito (FR): Janela interna;

• Temperatura espalhada ok
• Pneu sobrecarregado.

O pneu traseiro esquerdo (LR):

• Janela interna;
• Espalhamento de temperatura ok;
• Pneu com baixa pressão.

O pneu traseiro direito (RR):

• Janela interna;
• Pressão ok.

A ação proposta é reduzir a curvatura FL e a pressão dos pneus FR e aumentar a pressão dos pneus RL. Os valores exibidos na Figura 12 indicam um delta entre as médias dianteira e traseira, que são 76,84° e 79,84°, iguais a 3°. Este valor está dentro da meta proposta. No entanto, como o eixo dianteiro tem uma temperatura média inferior à do eixo traseiro, é razoável concluir que este carro apresenta um ligeiro comportamento de subviragem. A Figura 13 ilustra o próximo exemplo.

Os seguintes comentários podem ser feitos sobre o pneu dianteiro esquerdo:

• Fora da janela;
• Delta ok.

O pneu dianteiro direito:

• Fora da janela;
• Delta não ok, muito pouco camber.

O pneu traseiro esquerdo:

• Janela interna;
• Delta ok.

O pneu traseiro direito:

• Fora da janela;
• Delta ok.

De acordo com as observações acima, propõe-se aumentar a pressão do pneu LF, aumentar a curvatura do pneu RF, diminuir a pressão do pneu RR e diminuir a pressão do pneu LR. Além disso, o pneu LF exibiu uma temperatura drasticamente mais alta em relação a todos os outros pneus. Esta é uma indicação de carga vertical muito alta sobre o pneu. Portanto, é aconselhável revisar a configuração. A temperatura de equilíbrio entre os eixos indica um comportamento de sobreviragem. Porém, após os ajustes no pneu FL, o comportamento do carro pode mudar.

Referências

• Haney, Paul. The Racing & High-Performance Tire – Using the Tires to Tune for Grip & Balance. TV Motorsports, SAE, January, 2003;
• Balance Motorsport Website;
• Your data driver website.