Modelagem dinâmica e análise de sistema de suspensão de um conceito urbano eficiente

Abstract

Com o crescimento das cidades e a necessidade de meios de transporte mais eficientes, a indústria automotiva busca soluções de engenharia que visam atender às exigências do mercado. As universidades seguem o mesmo caminho, a fim de fomentar o desenvolvimento do setor automotivo por meio de pesquisas e projetos. Dentre esses projetos, a equipe de eficiência energética da Universidade Federal de Santa Catarina, a EFICEM, tem se destacado na produção de protótipos para competições veiculares de eficiência energética nacionais e internacionais, como a Shell Eco-Marathon (SEM). Após anos produzindo protótipos, a equipe busca participar de uma nova categoria desta competição, denominada conceito urbano (urban concept), que demanda a fabricação de um veículo altamente eficiente de quatro rodas. Este trabalho busca apresentar a modelagem dinâmica e a análise do sistema de suspensão deste conceito urbano eficiente desenvolvido pela equipe EFICEM. O problema abordado consiste em avaliar como diferentes configurações de suspensão, considerando os requisitos de eficiência energética e estabilidade dinâmica, impactam o desempenho e a segurança do veículo. Para isso, utilizaram-se dois modelos matemáticos, de 5 e 7 graus de liberdade, a serem analisados, um com suspensão somente nas rodas dianteiras e um com suspensão em todas as rodas. Um modelo em CAD da equipe foi utilizado para validação, respeitando as restrições impostas pela competição. Para comparar a resposta dinâmica das duas configurações de suspensão, o método incluiu a solução de equações diferenciais no programa MATLAB e a análise de parâmetros como o comportamento em curvas, o movimento das massas suspensas e não suspensas, e os efeitos de roll e pitch. Os resultados indicaram diferenças significativas no desempenho entre as configurações, onde foi possível observar uma dirigibilidade muito superior do modelo com suspensão completa quando comparado ao modelo com suspensão somente na dianteira. Como pontos principais, encontrou-se um valor 40% menor da força agindo sobre o pneu do veículo com suspensão completa, apresentando ainda uma economia de energia dissipada de 100%, visto que não é necessário o uso de freios para realizar as curvas do circuito na velocidade proposta, comprovando que possuir suspensão independente nas quatro rodas tem impacto positivo direto na eficiência energética do conceito urbano.

With the growth of cities and the need for more efficient modes of transportation, the automotive industry seeks new engineering solutions to meet market demands. Universities follow the same path to foster the development of the automotive sector through research and projects. Among these projects, the energy efficiency team at the Federal University of Santa Catarina, EFICEM, has stood out in the production of prototype vehicles for national and international energy efficiency competitions, such as the Shell Eco-Marathon. After years of producing prototypes, the team now aims to participate in a new category of this competition, called Urban Concept, which requires the development of an efficient four-wheel vehicle. This work aims to present the dynamic modeling and suspension system analysis of this efficient Urban Concept developed for the Shell Eco-Marathon by the EFICEM team. The addressed problem involves evaluating how different suspension configurations, considering energy efficiency and dynamic stability requirements, impact the vehicle’s performance and safety. To achieve this, two mathematical models with 5 and 7 degrees of freedom were analyzed: one with suspension only on the front wheels and the other with suspension on all wheels. A CAD model developed by the team was used for validation, respecting the restrictions imposed by the competition. To compare the dynamic responses of the two suspension configurations, the method included solving differential equations using MATLAB and analyzing parameters such as cornering behavior, movement of suspended and unsuspended masses, and the effects of roll and pitch. The results indicated significant performance differences between the configurations, where the model with full suspension demonstrated much superior drivability compared to the model with front suspension only. Key findings include a 40% reduction in the force acting on the rear tires of the vehicle with full suspension, as well as 100% energy dissipation savings, as brakes are not required to navigate the circuit’s curves at the proposed speed. This confirms that having independent suspension on all four wheels directly, and positively, impacts the energy efficiency of the Urban Concept vehicle.