ÁNALISE E DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE SUSPENSÃO SEMIATIVA COM TECNOLOGIA DE FLUIDO MAGNETOREOLÓGICO (MR)

ANALYSIS E DEVELOPMENT OF A SEMI-ACTIVE SUSPENSION SYSTEM WITH MAGNETORHEOLOGICAL FLUID (MR) TECHNOLOGY

REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.10115045

Azevedo, A
Granja, J
Rodrigues, G
Souza, G
Silva, L
Nascimento, G
Noriega, C

RESUMO

Este trabalho se concentra em analisar sistemas de suspensão veicular para garantir o máximo conforto e segurança ao dirigir. Nesse contexto, o uso do fluido Magnetorreológico (MR) em sistemas de suspensão semi-ativa representa uma nova alternativa.

Este estudo tem como objetivo principal investigar a aplicação prática do fluido MR em sistemas de suspensão semi-ativa, visando melhorar o desempenho dos veículos, se adaptando ao terreno na qual o carro está submetido e também ao estilo de condução do motorista

Utilizamos métodos de pesquisa que envolveram a análise das propriedades do fluido MR e a realização de simulações em laboratório para modelar o comportamento de um sistema de suspensão semi-ativa em diferentes cenários de condução.

Nossos resultados indicam que o uso do fluido MR em sistemas de suspensão semi-ativa oferece a capacidade de adaptação dinâmica a diversas condições de estrada e estilos de direção, melhorando o conforto e a estabilidade dos veículos.

Palavras-chave: Suspensão semiativa; Conforto; Segurança; Fluido Magnetoreológico (MR).

ABSTRACT

This work focuses on analyzing vehicle suspension systems to ensure maximum comfort and safety while driving. In this context, the use of Magnetorheological (MR) fluid in semi-active suspension systems represents a new alternative.

The main objective of this study is to investigate the practical application of MR fluid in semi-active suspension systems, aiming to improve vehicle performance by adapting to the terrain the car is subjected to and the driver’s driving style.

We employed research methods involving the analysis of MR fluid properties and conducting laboratory simulations to model the behavior of a semi-active suspension system in different driving scenarios.

Our results indicate that the use of MR fluid in semi-active suspension systems offers the capability for dynamic adaptation to various road conditions and driving styles, thus improving the comfort and stability of vehicles.

Keywords: Semi-active suspension; Comfort; Safety; Magnetorheological Fluid (MR).

1. INTRODUÇÃO

Os avanços tecnológicos contínuos no setor automotivo têm como objetivo não apenas melhorar a dinâmica dos veículos, mas também torná-los mais adaptáveis a uma ampla variedade de condições e cenários desafiadores. Nesse contexto, um componente de extrema importância é o sistema de suspensão, desempenhando um papel fundamental na garantia do conforto dos passageiros em terrenos irregulares e na manutenção da estabilidade durante curvas, acelerações e desacelerações. Conforme destacado por Rogério Macorin (2006), a função primordial do sistema de suspensão é evitar a transmissão das oscilações do veículo para os ocupantes e a carga, especialmente quando o veículo trafega por terrenos irregulares.

De acordo com Cunha e Chavarette (2013), os sistemas de suspensão podem ser categorizados em três tipos de sistemas de controle: passivos, semi-ativos e ativos. Este estudo se concentrará nos sistemas passivos e semi-ativos, uma vez que os sistemas ativos, apesar de serem eficazes, geralmente envolvem custos elevados e exigem níveis de corrente elétrica que são impraticáveis para a maioria dos veículos convencionais, que operam em sistemas de 12 Volts.

Nesse contexto, o objetivo deste trabalho é explorar a viabilidade e os benefícios da implementação de um sistema de suspensão semiativa utilizando fluido magnetorreológico (MR). Conforme mencionado por William East et al. (2021), a função principal de um sistema de suspensão automotiva é elevar o nível de conforto dos passageiros, ao mesmo tempo em que assegura um desempenho dinâmico excepcional. Isso é crucial para garantir a segurança e proporcionar uma experiência de condução satisfatória. No entanto, East argumenta que conciliar um alto nível de conforto com um desempenho dinâmico excepcional é um desafio complexo, devido à natureza antagônica das características desejadas em uma suspensão.

A suspensão passiva, o tipo mais comum em veículos de produção em massa, fornece uma solução simples, mas limitada, para lidar com as irregularidades das estradas. Conforme descrito pelo grupo NAKATA, um renomado fabricante de sistemas de suspensão, o sistema passivo é um modelo que reage às imperfeições do solo por meio de parâmetros fixos. Esses parâmetros são calculados visando otimizar o desempenho do veículo, mas não podem ser ajustados em tempo real, o que limita sua capacidade de adaptação às variáveis condições do terreno.

Entretanto, a busca por sistemas de suspensão mais avançados que possam se adaptar dinamicamente às condições da estrada e ao estilo de condução do motorista levou ao desenvolvimento de suspensões semi-ativas e ativas. O foco deste estudo está na categoria de suspensão semi-ativa, que busca equilibrar eficácia e acessibilidade. Dentre as tecnologias que se destacam nesse contexto, o fluido magnetoreológico (MR) apresenta características únicas e vantagens significativas.

Os Fluidos MR são materiais que reagem a um campo magnético aplicado, resultando em uma alteração em seu comportamento reológico (Crivellaro, 2008). Conforme Crivellaro descreve, os fluidos magnetoreológicos respondem ao campo magnético, alterando sua resistência ao escoamento. Quanto maior o campo magnético incidente no fluido, maior é a tensão de escoamento naquela região. Segundo José Henrique da Rocha (2021), os fluidos MR aumentam momentaneamente sua viscosidade de 100 a 1000 vezes quando submetidos a essa influência.

Essa capacidade de modificar seu comportamento em resposta a um campo magnético externo permite uma maior resistência nas áreas onde os campos magnéticos estão sendo aplicados, dificultando a passagem do fluido nessas regiões. Crivellaro (2008) descreve que esse comportamento faz com que a energia mecânica necessária para romper essas estruturas aumente com a intensidade do campo magnético aplicado. Isso explica a relação direta entre a tensão de escoamento e esse campo magnético.

O foco de nossa pesquisa será a compreensão das propriedades do fluido MR, especialmente como sua viscosidade pode ser controlada por meio de um campo magnético. Pretendemos explorar como essas propriedades podem ser aproveitadas para aprimorar o desempenho dos sistemas de suspensão veicular. Reconhecemos que, por meio da aplicação de campos magnéticos, temos a capacidade de modificar o comportamento do veículo durante a condução, uma vantagem que não está presente nos sistemas de suspensão passivos.

Dessa forma, este trabalho se propõe a investigar a aplicação prática do fluido MR em sistemas de suspensão semi-ativa e avaliar como essa tecnologia pode aprimorar a experiência de condução, garantindo maior conforto e estabilidade ao mesmo tempo em diversos tipos de terrenos e condições de estrada.

1.1. JUSTIFICATIVA

Este projeto de pesquisa, focado no estudo de um sistema de suspensão semi-ativa que utiliza fluido Magnetorreológico (MR), surge como uma resposta à relação complexa entre suspensões veiculares e os pilares do conforto e segurança na experiência de direção. A perspectiva de introduzir inovações por meio do fluido MR em suspensões semi-ativas revela-se como um campo repleto de possibilidades promissoras, com potencial para aprimorar o desempenho desses sistemas de amortecimento.

Além de sua importância teórica evidente, a pesquisa destaca sua relevância prática na indústria automobilística, onde sistemas de suspensão eficazes representam um elemento fundamental e altamente valorizado. A abordagem adotada para explorar esse tema, especialmente na Universidade São Judas Tadeu, não apenas ressalta a necessidade, mas também inspira a continuidade desse tipo de pesquisa, proporcionando um terreno fértil para futuros avanços e inovações na esfera da engenharia mecânica.

Diante de poucos estudos nesse campo e da clara indicação de benefícios tangíveis nas aplicações do mundo real. Seu objetivo principal é contribuir para a engenharia mecânica, fornecendo pesquisas e experimentos sobre a aplicação e o potencial do fluido MR em sistemas de suspensão semi-ativa, uma iniciativa que contribui para o desenvolvimento de novas tecnologias, dando uma alternativa para o emprego de novas soluções para o a indústria automotiva.

1.2. OBJETIVO GERAL

Investigar a aplicação prática dos sistemas de suspensão semi-ativa, com foco especial na utilização do fluido Magnetorreológico (MR), visando compreender a tecnologia e explorar como ela pode aprimorar o desempenho dos sistemas de suspensão veicular, com ênfase no aumento do conforto e segurança durante a condução.

Sendo especifico temos:

Analisar as propriedades do fluido Magnetorreológico (MR) e como sua densidade pode ser controlada por meio de um campo magnético, com foco na sua aplicação em sistemas de suspensão semi-ativos. Isso envolverá uma investigação detalhada do comportamento reológico do fluido em diferentes condições.
Avaliar as vantagens da aplicação de sistemas de suspensão ativa e semi-ativa em comparação com os sistemas passivos, destacando sua capacidade de ajustes em tempo real para melhoria do conforto e estabilidade veicular através de cálculos que evidenciem a diferença entre sistemas superamortecidos, criticamente amortecidos e sub-amortecidos.

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. SUSPENSÃO PASSIVA

Embora muitos estudos já tenham sido realizados, o sistema de suspensão com amortecedores passivos continua hoje a ser o principal dispositivo aplicado nos veículos automotivos, independentemente de sua configuração (ICHANO JUNIOR, 2010).

Um sistema passivo convencional utiliza, na prática, não-linearidades nas molas e amortecedores, melhorando, dessa forma, o seu desempenho e aumentando sua eficiência. (MOTTA e ZAMPIERI apud CRIVELLARO, 2008). A principal não-linearidade está associada aos amortecedores, que apresentam coeficientes distintos para situações de compressão e distensão. Sendo assim, se esse coeficiente for menor na compressão, o movimento para cima da roda sobre o corpo do veículo é menor. Por sua vez, com um coeficiente maior, o movimento de descida da roda sofrerá maior resistência, dissipando mais energia e gerando menores efeitos na carroceria e proporcionando maior conforto aos ocupantes (CRIVELLARO, 2008).

Figura 1 – Representação de um sistema de suspensão simples

Fonte: AKIYAMA, 2005

2.2. SUSPENSÃO SEMIATIVA

Erich K. Bender (1968) observou que, para aprimorar o conforto dos passageiros ao dirigir em avenidas, muitos engenheiros começaram a explorar sistemas de suspensão menos convencionais. Esses sistemas iam além das molas simples, amortecedores e barras estabilizadoras tradicionais. Ele mencionou especificamente os sistemas de suspensão ativa, em desenvolvimento na época, que visavam controlar os níveis de vibração e o ângulo de rolagem, proporcionando um veículo mais confortável e seguro.

Embora Bender tenha mencionado, já em 1968, que os sistemas de suspensão ativa estavam em desenvolvimento, Crivellaro (2008) aponta que, até hoje, esses sistemas não substituíram completamente os sistemas passivos. Apesar de reconhecer a eficiência dos sistemas de suspensão ativa, Crivellaro ressalta que eles são notavelmente mais caros e complexos em relação aos sistemas passivos. Esta complexidade resulta em custos de manutenção substancialmente mais elevados e uma confiabilidade menor quando comparada aos sistemas mais simples. Essa disparidade de custos e confiabilidade torna os sistemas de suspensão ativa quase impraticáveis para uso generalizado. Em caso de falha de um sistema ativo, há o risco de desestabilização do veículo durante a condução, o que pode levar a acidentes graves.

Em um contexto de crescentes custos de petróleo e uma necessidade cada vez mais premente de encontrar fontes de energia alternativas, o consumo de combustível torna-se um fator crítico para os veículos automotores. Nesse contexto, torna-se inviável a adoção de sistemas que aumentem significativamente o consumo de energia dos veículos, como é o caso dos sistemas ativos de suspensão, conforme ressaltado por Crivellaro. Esses sistemas, devido à sua complexidade e exigência energética, representam uma barreira substancial para a sua implementação em larga escala. Além disso, a falha de um sistema ativo de suspensão durante a condução pode desestabilizar o veículo, o que resulta em um risco considerável de acidentes graves, como alertado pelo mesmo autor.

Ao analisar os sistemas ativos de suspensão e ressaltar as melhorias possíveis com a adoção de sistemas mais complexos, como defendido por Bender, Crivellaro identificou vários desafios na implementação em larga escala de um sistema de suspensão totalmente ativo. No entanto, evidenciou-se que é possível alcançar um desempenho significativamente superior ao de uma suspensão puramente passiva ao adotar a capacidade de ajustes em tempo real proporcionada por uma suspensão semi-ativa.

Segundo Crivellaro, os sistemas de suspensão semi-ativos apresentam maior afinidade com a aplicação veicular. São sistemas mais confiáveis, demandando menos componentes e demonstrando maior robustez em comparação aos sistemas ativos. Além disso, a probabilidade de uma falha nesse sistema que resulte na desestabilização do veículo é consideravelmente baixa, dado que o atuador semi-ativo é, essencialmente, um componente dissipativo. Esses sistemas utilizam atuadores que geralmente requerem aproximadamente 20 watts de potência para operar, uma demanda facilmente atendida pela bateria do veículo, com um impacto mínimo no consumo de combustível. Entre os atuadores semi-ativos, se destacam aqueles baseados em fluidos magneto-reológicos (MR), os quais dispensam o uso de válvulas mecânicas, resultando em maior confiabilidade. Adicionalmente, o fluido MR responde em milissegundos a uma variação do campo magnético, permitindo o desenvolvimento de sistemas de suspensão semi-ativos, em geral, mais responsivos que os sistemas ativos baseados em atuadores hidráulicos.

Assim como nas suspensões passivas e ativas, as suspensões semi-ativas também apresentam suas desvantagens, conforme apontado por Crivellaro. Os atuadores nesses sistemas são capazes apenas de exercer forças dissipativas. As forças dissipativas são aquelas que dissipam ou reduzem a energia cinética de um sistema, transformando-a em outra forma de energia, geralmente calor. No contexto das suspensões semi-ativas, essas forças não contribuem diretamente para o movimento do veículo, mas sim reduzem a energia proveniente das vibrações e impactos, convertendo-a em energia térmica, o que pode resultar em pequenos solavancos ou desconforto para os ocupantes do veículo. Quando solicitados a gerar os esforços necessários para reduzir a transmissão de vibração para a carroceria, os atuadores interrompem essas forças, o que pode criar descontinuidades no sinal de força e gerar excitações em frequências mais elevadas, manifestando-se como solavancos no veículo. Este fenômeno vai de encontro à principal finalidade do sistema de controle de suspensão, que é proporcionar conforto aos usuários do veículo. Um dos desafios do uso desse tipo de sistema é conseguir aprimorar o desempenho em conforto, mesmo diante dos inconvenientes causados por essa característica dos atuadores.

2.3. SUSPENSÃO ATIVA

A suspensão ativa veicular, segundo Hrovat (1997), é um sistema de suspensão em que parte das forças que atuam no sistema é proveniente de uma fonte de energia externa, como compressores, bombas hidráulicas e atuadores. A finalidade principal da suspensão ativa é adaptar o veículo às diferentes condições de direção, proporcionando benefícios notáveis, como maior conforto para os ocupantes e aumento da segurança durante a condução. A energia adicional introduzida no sistema tem o propósito de contrabalançar os movimentos das rodas e da carroceria. A implementação eficaz desse sistema requer o uso de microprocessadores e sensores que fornecem dados em tempo real, permitindo a análise da situação do veículo em um dado momento, a fim de calcular a quantidade de força necessária para minimizar os deslocamentos indesejados.

O primeiro sistema de suspensão ativa em veículos foi desenvolvido em 1972, e ele utilizava uma bomba de pressão para acionar os atuadores localizados nas quatro rodas (Okabe, 2003). Os acelerômetros eram empregados para medir os deslocamentos dos atuadores. A atuação era realizada por meio de atuadores hidráulicos. Além de melhorar a estabilidade, esse sistema original tinha a capacidade de manter o veículo nivelado e evitar a rolagem em curvas.

Um marco significativo na evolução da suspensão ativa veicular ocorreu em 1987, quando o carro de Fórmula 1 conduzido por Ayrton Senna, o Lotus 99T (Cardoso; Martins; Heyman, 2016), estava equipado com uma suspensão ativa que fazia uso de acelerômetros e um microcomputador. Esse veículo obteve sucesso em pistas de baixas velocidades e circuitos sinuosos. No entanto, conforme Okabe (2003) relata, o uso de sistemas eletrônicos nessa categoria foi banido em 1995.

A suspensão ativa veicular depende de vários elementos essenciais para cumprir sua função adequadamente. Um componente crucial é o atuador, que é responsável por fornecer a força necessária para minimizar as oscilações da carroceria e manter o contato dos pneus com o solo. Os atuadores podem assumir três configurações: eletro-hidráulicos, pneumáticos e eletromagnéticos.

Outro conjunto importante de componentes na suspensão ativa é composto por sensores e microprocessadores que interpretam os sinais em tempo real e transmitem os comandos necessários para os atuadores. Existem diversas abordagens para o processamento desses dados, incluindo métodos de estruturas computacionais que consideram a intensidade do sinal, o tempo de resposta, as diferenças entre entradas e saídas, a velocidade de processamento e a quantidade de dados a serem tratados. Com uma variedade de estratégias, é possível obter resultados satisfatórios.

Uma aplicação viável na suspensão ativa é o controlador PID, que é amplamente utilizado em várias aplicações eletrônicas. Esse controlador apresenta características como sintonização automática, ganho programado, adaptação contínua e design simplificado (Prabu et al., 2013). De acordo com esse autor, uma simulação com um quarto de veículo utilizando o controlador PID demonstrou uma redução significativa nos deslocamentos máximos e no tempo de acomodação. O uso desse controlador também otimizou a suspensão veicular, como pesquisado por Al-Mutar e Abdalla (2015).

2.4. SUSPENSÃO MR

Os amortecedores magnetoreológicos (MR) são um dispositivo semi-ativo que possuem a capacidade de mudar, reversivelmente, suas propriedades por meio da aplicação de um campo magnético. Esses amortecedores apresentam um comportamento não-linear, histerético e de difícil modelagem. O objetivo é verificar a eficiência do controle semi-ativo, utilizando amortecedores MR, e compará-lo aos controles passivo e ativo.

Os fluidos magneto-reológicos (MR) são denominados materiais inteligentes, pois, a exposição a um campo magnético influência diretamente na viscosidade, elasticidade plasticidade do fluido.

Quando não exposto a um campo magnético, o fluido se comporta como um fluido newtoniano comum, porém quando exposto, o fluido apresenta um comportamento visco-plástico cuja tensão de escoamento é função da intensidade do campo magnético. A aplicação mais comum dos fluidos MR encontra-se nos amortecedores magnetoreológicos.

A capacidade de os fluidos MR alterar de maneira reversível a sua viscosidade, trazem aos amortecedores MR uma grande potencialidade em aplicações de controle e isolamento de vibrações.

Os amortecedores MR são aplicados em diversas áreas como: realimentação tátil, suspensão automotiva, assentos de veículos pesados, amortecedores sísmicos e em próteses trans-femorais.

A descoberta e os desenvolvimentos iniciais dos fluidos e dos amortecedores MR são da autoria de Rabinow (1948). Apesar de descobertos no final da década de 1940, somente a partir da década de 1990, os fluidos magnetoreológicos viraram foco frente aos fluidos eletroreológicos. Trabalhos voltados para a área dos amortecedores MR surgiram nessa época como, por exemplo, os de Carlson e Weiss (1994), Carlson et al. (1995) e Dyke (1996).

Os fluidos MR são os análogos magnetoreológicos dos fluidos eletroreológicos e consistem em partículas minusculas magneticamente polarizadas dispersas em um meio condutor oleoso, tal como, óleo mineral ou silicone. Quando um campo magnético é aplicado no fluido, formam-se cadeias de partículas orientadas paralelamente pelo campo. O fluido torna-se um semi-sólido e apresenta um comportamento viscoplástico semelhante ao dos fluidos ER. A transição para o equilíbrio reológico pode ser atingida em poucos milissegundos (Spencer et al., 1997a). Retirado o campo magnético, o fluido retorna às suas propriedades originais. Geralmente, os dispositivos MR são constituídos de um cilindro com um pistão dentro do qual se encontra o fluido MR. Sobre a superfície lateral do cilindro são dispostas bobinas nas quais circula uma corrente elétrica que corresponde à criação de um campo magnético.

Os fluidos MR possuem alta resistência, baixa viscosidade e são estáveis num grande intervalo de temperatura (Carlson e Weiss, 1994; Carlson et al., 1995). Fluidos MR exibem comportamento plástico similar aos fluidos ER, no entanto a tensão de escoamento dos fluidos MR é muito superior. Obtêm-se facilmente 80kPa aplicando-se um campo magnético contra 3kPa no caso de fluidos ER. Os fluidos MR podem operar em temperaturas que variam de -40 a 150°C com apenas pequenas variações em suas propriedades. Devido à sua grande resistência, os dispositivos que empregam fluidos MR podem ser muito menores que dispositivos ER de desempenho similar. Ao contrário dos fluidos ER, os fluidos MR não são afetados pela presença de impurezas químicas comuns durante a fabricação e o uso. Os dispositivos MR requerem suprimentos de energia de baixa voltagem que são amplamente disponíveis.

Os amortecedores MR possuem diversas aplicações porque oferecem funcionamento confiável e estável. Sua capacidade de adaptação é ideal para o projeto de sistemas de controle semi-ativo; porém, mesmo em configuração passiva, ou seja, sob a aplicação de voltagem constante ou na ausência de voltagem, os amortecedores MR continuam sendo dispositivos dissipadores de energia. Por isso, muitas vezes são citados na literatura como sendo à prova de falhas, uma vez que se tornam amortecedores passivos no caso de mau funcionamento do hardware de controle.

Os dispositivos MR encontram-se disponíveis comercialmente. Esses amortecedores podem ser utilizados em diversas situações práticas de interesse das engenharias mecânica, automobilística, civil entre outras (Spencer et al., 1997b; Jolly et al., 1999; Aydar et al., 2007; Ma et al., 2007). Fluidos MR são usados para o desenvolvimento de dispositivos de controle para equipamentos de ginástica, máquinas de lavar domésticas, sistemas de suspensão e freios automotivos, absorsores de choque linearmente ajustáveis para carros de corrida e estruturas civis sujeitas à excitação sísmica (Carlson et al., 1995; Dyke et al., 1998; Carlson, 1999).

Para utilizar as vantagens associadas às especificidades dos amortecedores MR, entre elas a capacidade de adaptar suas propriedades, é necessário obter um modelo matemático que reproduza seu comportamento acuradamente. Essa é uma tarefa desafiadora, pois os amortecedores MR apresentam um comportamento tipicamente não-linear, histerético e de difícil modelagem.

3. MATERIAIS E MÉTODOS

Para melhor compreender a funcionalidade e real eficácia do fluido magnetorreológico, foi realizada em laboratório uma amostra com base na receita obtida no estudo de Crivellaro (2008). Nela, foi adicionado um pó magnético, geralmente ferromagnético, na proporção de 60 a 80% em massa. Adicionou-se também um líquido não volátil e compatível quimicamente com o pó magnético, geralmente óleos com viscosidade abaixo de 200mPa.s a 20°C, que corresponde à maior parte da porção líquida.

Além disso, foi acrescido um aditivo estabilizante para evitar a agregação das partículas, que corresponde a uma fração de 1 a 10 % do volume líquido e um aditivo tixotrópico para retardar a sedimentação do pó magnético como sílica pirogênica hidrofílica ou hidrofóbica, poli-vinil-pirrolidona, argilas modificadas, etc, na proporção de 1 a 5 % em massa do composto.

A receita para o fluido também foi descrita por KAMBLE et.al. utilizando a proporção descrita na tabela 1. Ela segue o mesmo princípio da anterior, com porcentagem de material em relação ao peso.

Tabela 1. Composição das amostras, porcentagem em peso dos materiais em relação ao peso do fluido
MATERIAIS
Pó de Ferro	Graxa de Lítio	Óleo de Rícino
22%	12%	66%

Fonte: Adaptado de Vibram G. Kamble (2015)

3.1. MATERIAIS DE LABORATÓRIO UTILIZADOS

3.2. MATERIAIS PARA ELABORAÇÃO DO FLUIDO

Tabela 2. Propriedades da graxa de lítio

Propriedades	Graxa de lítio
Ponto de queda °C	177-204
Temperatura máxima utilizável °C	135
Resistência a água	Excelente
Estabilidade a oxidação	Excelente
Separação de óleo	Bom a excelente
Aparência	Suave e pastoso
Proteção contra ferrugem	Bom

Fonte: Adaptado de Vibram G. Kamble (2015)

Tabela 3 – Propriedades do óleo de rícino

Propriedades
Viscosidade	0.03
Ponto de ebulição	270
Ponto de combustão	310
Gravidade específica	959
Densidade (kg/m3)	914
Custo de mercado (R$/L)	42

Fonte: Adaptado de Vibram G. Kamble (2015)

Descrevendo a metodologia de ensaios temos:

O primeiro passo consiste em realizar os testes em uma proveta graduada de 100 ml. Inicialmente, preparamos uma mistura proporcional composta por 22% de ferro em pó, com partículas de 4 a 9 mícrons, e adicionamos 12% de graxa de lítio. Em seguida, completamos a mistura com óleo de rícino. Após a completa homogeneização do fluido, obtivemos uma combinação que nos permitirá realizar testes de densidade. Utilizamos o densímetro mais pesado disponível em nosso laboratório para determinar se a aplicação de um campo magnético é capaz de alterar a densidade da mistura a ponto de estabilizar o densímetro em uma marcação significativamente superior à densidade natural do fluido, com a influência do campo magnético.

Figura 2 – Diagrama de Fluxo

Fonte: Autoria Própria

Para definir a mistura do fluído e adaptarmos a receita fornecida por KAMBLE, criamos um diagrama de fluxo que pode ser visto na Figura 2, este diagrama de fluxo permite que testemos a qualidade do nosso fluído e o limite técnico do mesmo a partir dos densimetros disponibilizados pela Universidade, com a alteração da mistura visamos obter o máximo da capacidade de modelar a rigidez do fluído usando um campo magnético, e mantendo as outras caracteristicas de viscosidade geral do fluído sem a influência do campo magnético.

A densidade natural do fluído era de 1070 g/cm³, para verificar a capacidade de alterar a densidade do fluído usamos um densímetro de 1840 g/cm³, sendo este o maior densímetro disponível e conseguimos estabilizar o mesmo próximo da marca máxima do mesmo, o que mostra que conseguiríamos estabilizar a densidade do fluído em densímetros com maior peso.

Durante os testes, alteramos a posição dos imãs para verificar como a alteração da posição do campo magnético afetaria o fluído, iniciamos os testes próximo a marca de 20ml, depois alteramos para os 50ml e por fim posicionamos os imãs de neodímio próximo aos 80ml.

Com os dados coletados a partir dos testes com o densímetro iniciamos nossa ferramenta de cálculo para verificar como essa alteração no campo magnético afetaria o comportamento de uma suspensão, para isso usamos a linguagem de programação Python e desenvolvemos uma ferramenta de cálculo para demonstrar a diferença entre um sistema superamortecido, criticamente amortecido e um sistema sub-amortecido.

Para elaboração dos cálculos e geração dos cálculos usamos 3 principais bibliotecas, as duas primeiras para elaboração de cálculos complexos, sendo elas a NumPy e a SciPy e a terceira para elaboração dos gráficos a Matplotlib.

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

No laboratório da universidade, seguindo o método previamente definido, realizamos a preparação do fluido magnetorreológico (MR). Combinamos ferro em pó, óleo de ricíno e graxa de lítio na proporção adequada, assegurando a obtenção das características desejadas de viscosidade e fluidez. Essas propriedades são cruciais para o correto funcionamento do sistema de suspensão semiativa.

Durante o experimento, observamos o comportamento do fluido MR em resposta à influência de um ímã. Ao aproximarmos o ímã da mistura, notamos uma mudança significativa em sua viscosidade, resultando no endurecimento do fluido na região que o campo magnético era incidido, assumindo características semelhantes a uma suspensão sólida. A taxa de rigidez mostrou ser diretamente proporcional à proximidade e à intensidade do ímã. Esse fenômeno é de importância fundamental para o funcionamento dinâmico da suspensão semiativa, permitindo um controle preciso da rigidez com base nas necessidades do veículo.

A capacidade de controlar a rigidez da suspensão em tempo real é um dos principais benefícios do uso de fluidos magnetorreológicos. Observamos que, ao ajustar a proximidade e a intensidade do ímã em relação à mistura de fluido MR, era possível modificar a rigidez da suspensão de forma precisa e imediata. Isso oferece a capacidade de adaptação dinâmica a diferentes condições de estrada e direção, o que melhora o conforto e a estabilidade dos veículos.

Os resultados obtidos destacam as notáveis vantagens do sistema de suspensão semiativa com tecnologia de fluido magnetorreológico (MR). Isso proporciona uma adaptação da rigidez em tempo real, com base na qualidade da estrada e nas preferências do motorista. Em suma, os resultados da pesquisa confirmam a viabilidade e eficácia do sistema de suspensão semiativa com tecnologia de fluido magnetorreológico (MR).

A partir dos testes verificamos que a posição do campo magnético também afetava o funcionamento do fluído, permitindo assim diversos ajustes desde a proximidade imã com o fluído, alteração na quantidade de material sólido, no nosso caso usamos o ferro em pó de 4 mícrons e também a posição do imã, permitindo diversos ajustes adequanto o fluído de acordo com a necessidade de aplicação levando em consideração a qualidade das vias, peso do veículo, centro de gravidade, entre outras características.

Para elaboração do fluido, foram misturados dentro do Becker, uma composição contendo 22% de pó de ferro, 12% de graxa e 66% com o óleo de rícino.

4.1. RESULTADOS OBTIDOS EM LABORATÓRIO

Figura 3 – Comportamento do pó de ferro em contato com um campo magnético

Fonte: Autoria Própria

Na foto acima temos a demonstração da reação do pó de ferro com a aproximação do imã. Nota-se que há uma tendência de dissipação do componente, que será um elemento determinante quando adicionado o restante dos ingredientes do fluido.

Figura 4 – Fluído sem incidência de um campo magnético

Fonte: Autoria Própria

Figura 5 – Fluído com a incidência do campo magnético

Fonte: Autoria Própria

Imagem 3 mostra o fluido sem o imã, que apresenta uma densidade menor em comparação ao fluido em que foi aplicado o imã, representado pela imagem 4.

4.2. AMORTECIMENTO

O movimento de um sistema pode ser descrito através de equações diferenciais, as quais se fundamentam na Lei de Newton e incluem parâmetros variáveis ao longo do tempo. Além disso, os sistemas podem ser categorizados com base no número de graus de liberdade (GDL) do movimento, que se refere à quantidade de coordenadas independentes necessárias para descrever completamente o movimento do sistema.

No contexto do modelo viscoelástico, assume-se que o tipo de amortecimento envolvido é de natureza viscosa. Nesse caso, a força de atrito é diretamente proporcional à velocidade do movimento, o que representa uma resistência ao deslocamento. Essa relação é matematicamente expressa na seguinte equação:

Onde F representa uma força aplicada, c é uma constante de proporcionalidade e x é a velocidade de deslocamento de uma massa em relação a um ponto fixo. Um exemplo de sistema com amortecimento pode ser visualizado com um pistão dentro de um cilindro preenchido com um líquido, que pode ser modelado como um sistema de massa-mola-amortecedor com um grau de liberdade.

Neste sistema, onde m é a massa, k é a constante elástica da mola e c é o coeficiente de amortecimento viscoso, podemos representá-lo pela seguinte equação:

Reescrevendo esta equação temos:

Definindo-se:

onde ω_o é a frequência natural de vibração e ζ representa o amortecimento. Reescrevendo a equação, e utilizando-se os novos parâmetros temos que:

Com isso temos que:

Assim, o comportamento descrito na equação acima está sujeito à resolução de γ onde:

4.3. Análise

Com o uso do Python, uma linguagem de programação versátil, é possível realizar uma análise de dados complexa de maneira automatizada. Após fornecer informações técnicas sobre veículos, como massa não suspensa, massa suspensa, coeficiente de amortecimento (ζ), rigidez do pneu e rigidez da mola, o programa realiza cálculos utilizando bibliotecas específicas, resultando em gráficos relevantes.

NumPy: Esta biblioteca é utilizada para realizar operações numéricas e matemáticas eficientes. Com o NumPy, é possível realizar cálculos complexos e manipular arrays multidimensionais de forma simples.
Matplotlib: A biblioteca Matplotlib é responsável pela criação de gráficos de alta qualidade. Ela permite visualizar os resultados dos cálculos de forma clara e informativa, facilitando a interpretação dos dados.
SciPy: O SciPy é uma biblioteca que estende as funcionalidades do NumPy, fornecendo ferramentas para resolver problemas científicos e de engenharia. Ele inclui funções para otimização, integração, interpolação e muito mais, sendo particularmente útil para análises complexas e modelagem.

A partir dos dados de entrada o programa gerou os seguintes gráficos:

Figura 1 – Comportamento da massa suspensa

Fonte: Autoria Própria

Figura 2 – Comportamento massa não suspensa

Fonte: Autoria Própria

Nos gráficos elaborados usando a ferramenta desenvolvida usando Python durante os testes com o fluído, observamos que a variação do coeficiente de amortecimento (ζ) afeta o comportamento das massas suspensas e não suspensas a partir de uma perturbação aplicada em um sistema amortecido respondendo a um sinal do tipo degrau. Essa alteração tem implicações significativas para o motorista: no caso de um sistema superamortecido, há um aumento no conforto, porém o desempenho e a segurança em curvas são comprometidos. Por outro lado, um sistema de suspensão sub-amortecido proporciona um melhor desempenho e segurança em curvas, mas reduz o conforto.

A utilização de um sistema de suspensão semiativo, que utiliza fluido MR (magnetorreológico), concede ao motorista o controle sobre o fator de amortecimento através de um sistema de eletroímãs. Isso permite que, em altas velocidades, o condutor escolha diminuir o amortecimento, priorizando o desempenho e a segurança, aspectos críticos em situações de alta velocidade. Por outro lado, em vias urbanas com superfícies irregulares e limites de velocidade mais baixos, o motorista pode optar por priorizar o conforto, em detrimento da segurança e do desempenho, que nessas condições não são tão cruciais.

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS/CONCLUSÕES

Referente ao objetivo que tratava investigar a aplicação pratica do fluído MR em suspensões semi-ativas, não foi concluído em função da falta de testes práticos com a aplicação do fluído em suspensões veiculares, no entanto os testes preliminares indicam que podem ser usadas aplicando os devidos ajustes, verificamos que existem diversas variáveis que podem ser alteradas para se obter o melhor resultado de acordo com a aplicação como por exemplo a própria proporção entre óleo, graxa e pó de ferro, bem como o imã, posição e proximidade do imã e material de isolamento do fluído com o meio externo.

Em relação ao objetivo especifico a respeito da análise das propriedades do fluído e como sus densidade pode ser controlada através do uso do campo magnético verificamos que a densidade do fluído não é alterada de forma significativa, mas sim as partículas metálicas se alinham em relação ao campo magnético formando uma camada sólida onde existe a incidência do campo magnético.

Sobre as vantagens da aplicação do fluído MR em sistemas de suspensão semi-ativas, ainda são necessários testes e validações em relação ao aspecto prático desta aplicação em veículos, no entanto a capacidade de modular a parcela liquida da suspensão podendo alterar a facilidade de escoamento do fluído ou o bloqueio completo em algumas situações mostra que podemos ter resultados promissores ao aplicar em um protótipo com os devidos ajustes permitindo um controle em tempo real do acerto da suspensão pelo próprio motorista através de uma chave seletora e um conjunto de eletroímãs.

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