CONCEPÇÃO E MODELAGEM 3D DE UM CHASSI DE KARTCROSS

Ciências da Computação, Engenharias, Volume 27 - Edição 128/NOV 2023 / 10/11/2023

REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.10085755

Amaurilio De Castro Magalhães Gomes1
Jarilson De Souza Silva2
João Vitor Morais Leal3

RESUMO

Este trabalho aborda o processo de concepção e modelagem 3D de um chassi de Kartcross, um veículo off-road de competição que tem ganhado crescente popularidade. Por conta de sua popularidade, é necessário tomar todos os cuidados no processo de concepção e modelagem de chassi, já que implica diretamente na segurança de quem pratica.

A metodologia envolveu a definição de objetivos, levantamento de dados por meio de pesquisa bibliográfica, a escolha das ferramentas computacionais e a seleção do material do chassi.

Este trabalho contribui para o entendimento do processo de concepção e modelagem de um chassi de Kartcross, ressaltando a importância da segurança e do design robusto. Embora o projeto não tenha sido especificamente destinado a uma competição, ele serve como base para futuros desenvolvimentos, visando melhorias no desempenho e na segurança desses veículos off-road.

Palavras-chave: Kartcross, Design de chassi, Modelagem 3D, Segurança, Ferramentas computacionais.

ABSTRACT

This paper addresses the process of conceptualization and 3D modeling of a Kartcross chassis, an off-road competition vehicle that has been gaining increasing popularity. Due to its popularity, it is necessary to take all precautions in the chassis conceptualization and modeling process, as it directly affects the safety of those who practice it.

The methodology involved defining objectives, data collection through literature review, the selection of computational tools, and the choice of chassis material.

This work contributes to the understanding of the conceptualization and modeling process of a Kartcross chassis, emphasizing the importance of safety and robust design. Although the project was not specifically aimed at competition, it serves as a foundation for future developments aimed at improving the performance and safety of these off-road vehicles.

Keywords: Kartcross, Chassi design, 3D modeling, Safety, Computational tools.

1. INTRODUÇÃO

Um Kartcross é um veículo de competição off-road que possui chassi tubular e são movidos, na maioria das vezes, por motores de motocicletas. São usados principalmente para corridas em terrenos acidentados, trilhas e pistas de terra. Sua estrutura tubular é comumente produzida pelo aço SAE 1020, que é um aço carbono de baixo teor de carbono, permitindo alta resistência e facilidade de soldagem, que são características importantes para a construção de estruturas robustas e duráveis para veículos off-road (OLIVEIRA, 2007).

A popularidade do Kartcross tem crescido ao longo dos anos, e agora é um esporte reconhecido em muitos países ao redor do mundo. No Brasil, a prática do Kartcross também tem crescido excepcionalmente, segundo a revista Racing, online, o campeonato brasileiro de Kartcross teve suas 38 de inscrições na competição esgotadas em 10 minutos.

Visto que o Kartcross é um veículo de competição que está se popularizando cada vez mais, sua fabricação deve-se tornar cada vez mais bem elaborada e estudada, pois qualquer tipo de evolução em um projeto de um Kartcross, pode resultar em melhor desempenho nas disputas. Além disso, a prática do Kartcross exige uma compreensão profunda de todos os aspectos de seu design, com um dos elementos centrais sendo o chassi. O chassi em um Kartcross não é apenas uma estrutura para montagem de componentes; ele desempenha um papel crítico na determinação da performance e segurança do veículo. Este componente é o ponto de partida para otimizar a dinâmica do veículo, minimizar riscos de acidentes e proporcionar uma experiência mais emocionante e segura para os pilotos (HAPPIAN, 2002).

Por fim, este artigo tem a finalidade de discutir o processo de concepção e dimensionamento da estrutura de um Kartcross, visto a importância de um projeto de chassi ser bem feito tanto para questões de competição e lazer, quanto para questões de segurança.

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. KARTCROSS

Um Kartcross é um veículo off-road de pequeno porte projetado para corridas em terrenos acidentados. Ele é uma combinação entre um kart tradicional e um veículo todo-terreno (ATV) ou buggy, oferecendo aos pilotos uma experiência emocionante e desafiadora, como pode ser visto na figura 1. Segundo a Confederação Brasileira de Automobilismo (CBA), 2022, alguns dos principais componentes de um Kartcross são: o chassi, a suspensão e o motor. Esses componentes possuem grande impacto na estrutura do Kartcross.

Figura 1 – Kartcross.

Fonte: CBA, 2022.

  1. CHASSI

O chassi é um dos principais componentes de um Kartcross e desempenha um papel crucial na estrutura e na resistência do veículo. Geralmente, é construído com materiais leves e resistentes, como tubos de aço ou alumínio, proporcionando a rigidez necessária para suportar as forças e impactos durante as corridas off-road. O design do chassi é cuidadosamente planejado para equilibrar o peso e fornecer uma distribuição adequada para otimizar o desempenho e a dirigibilidade. Como pode ser observado na figura 2, o chassi de um Kartcross é sua espinha dorsal, responsável por sustentar todos os outros elementos, como o motor, a suspensão, as rodas e a carroceria (PORTALSAOFRANCISCO, online).

Figura 2 – Chassi de um Kartcross.

Fonte: LAQMETAL, online.

Uma de suas principais funções do chassi é servir como suporte estrutural, fornecendo uma base sólida para os demais componentes do veículo. Com isso, ele fica responsável por sustentar e integrar os principais sistemas, como a carroceria, o sistema de suspensão, direção e transmissão. Ao oferecer essa estrutura resistente, o chassi ajuda a garantir a integridade do veículo em diferentes condições de uso (REIMPELL, 2001).

Além disso, o chassi é projetado para distribuir adequadamente as cargas ao longo do veículo. Durante a operação, o veículo está sujeito a diversas forças e cargas, como o peso da carroceria, passageiros, carga e as forças geradas durante a aceleração, frenagem e curvas. O chassi é responsável por transferir essas cargas de forma eficiente, evitando concentrações excessivas de estresse em pontos específicos e garantindo a estabilidade geral do veículo (GILLESPIE, 1992).

Outra função importante do chassi é absorver impactos. Durante a condução, o veículo está sujeito a irregularidades na estrada, como buracos, lombadas e obstáculos. O chassi é projetado para absorver parte desses impactos, minimizando o desconforto sentido pelos ocupantes do veículo e reduzindo a possibilidade de danos aos demais componentes (JAZAR, 2008).

2.2.1. MATERIAIS UTILIZADOS NA CONSTRUÇÃO DO CHASSI

Os materiais utilizados na constituição do chassi são cuidadosamente selecionados para proporcionar uma combinação ideal de rigidez, leveza e durabilidade. Dois dos materiais mais usados para a fabricação do chassi de um Kartcross são: o aço e o alumínio. O aço, que é um dos materiais mais utilizados na construção do chassi, oferece uma excelente combinação de força, durabilidade e custo. Já o alumínio, oferece uma combinação única de resistência e leveza, sendo mais leve que o aço. No entanto, o alumínio tende a ser mais caro do que o aço, o que pode influenciar sua aplicação em determinados veículos. (BEER et al., 2008).

A escolha do material do chassi depende de diversos fatores, como o tipo de veículo, o desempenho desejado, as restrições de peso, o custo e a disponibilidade dos materiais. Os fabricantes de veículos realizam análises e testes rigorosos para selecionar o material mais adequado que atenda aos requisitos de desempenho e segurança, considerando também aspectos econômicos e ambientais (NORTON, 2013).

2.3. SEGURANÇA

As normas de segurança de um Kartcross dependem da categoria e da competição na qual ele está competindo. No caso deste projeto, o Kartcross em questão não é projetado para nenhuma competição em específico, porém, seguirá algumas das normas da CBA.

Segundo a CBA, 2022, algumas das normas de segurança que o chassi do Kartcross deve seguir para participar da competição, são:

  1. O chassi deverá ser tubular, capaz de resistir com adequado grau de segurança a todos os esforços produzidos durante o seu uso. A estrutura do veículo deverá ser construída com tubos de com parede mínima de 1,5 mm;
  2. Os tubos usados para realizar os travamentos laterais (tubos usados para formar as treliças na lateral do chassi) deverá ter diâmetro mínimo de 16 mm;
  3. O entre eixos do veículo deverá ser de no mínimo 1600 mm e máximo de 1800 mm;
  4. O comprimento total do veículo deverá ser de no mínimo 2000 mm e máximo de 2300 mm;
  5. A largura do veículo deverá ser de no mínimo 1150mm e de no máximo 1400mm;
  6. O peso mínimo do veículo com o piloto deve ser de 280 Kg;
  7. Nenhuma parte da carroceria deve exceder a largura das rodas.


2.4. FERRAMENTAS COMPUTACIONAIS

Os softwares de modelagem mecânica desempenham um papel fundamental no desenvolvimento de estruturas seguras e eficientes, e, oferecem uma ampla gama de funcionalidades e capacidades, permitindo simular o comportamento estrutural e auxiliando no processo de projeto. Abaixo, estão alguns dos principais softwares comerciais e acadêmicos disponíveis para a modelagem de peças e estruturas mecânicas, com destaque para aqueles mais utilizados no contexto dos projetos de Kartcross:

  • SOLIDWORKS

SolidWorks é um dos softwares CAD 3D mais populares e amplamente usados na indústria de engenharia. Ele oferece uma ampla gama de recursos para criar modelos 3D detalhados, realizar análises de elementos finitos (FEA) e simulações, o que é relevante para a análise estrutural de chassis (DASSAULT SYSTEMES, online).

  • CATIA

CATIA é uma suíte de software de design e engenharia de alta qualidade, frequentemente usada na indústria automobilística. Ele oferece recursos avançados de modelagem 3D e simulações, permitindo uma ampla gama de aplicações na concepção de chassis de Kartcross (DASSAULT SYSTEMES, online).

  • ANSYS

ANSYS é um software de análise de elementos finitos (FEA) amplamente usado para simulações estruturais. Embora não seja um software de modelagem 3D em si, é frequentemente usado em conjunto com outros softwares CAD para realizar simulações de estresse e análises estruturais em chassis de Kartcross (ANSYS, online).

  • INVENTOR 3D

Ele oferece recursos avançados de modelagem 3D, simulação, análise de elementos finitos (FEA) e colaboração em equipe. O Autodesk Inventor é uma escolha popular para projetos de engenharia devido à sua integração com outros produtos Autodesk, como o AutoCAD e o Fusion 360, tornando-o uma solução abrangente para o desenvolvimento de produtos (AUTODESK, online).

3. METODOLOGIA

A metodologia adotada para a concepção e modelagem 3D do chassi de Kartcross foi cuidadosamente planejada e executada, levando em consideração uma abordagem holística que envolveu pesquisa extensiva, a seleção dos softwares utilizados e o material escolhido.

3.1. DEFINIÇÃO DE OBJETIVOS E LEVANTAMENTO DE DADOS

Inicialmente, foi estabelecido os objetivos do projeto, considerando os requisitos específicos de desempenho e segurança para um Kartcross. Isso incluiu a revisão de bibliografias relacionadas a kartcross, projetos de chassis de fórmulas SAE e Bajas SAE, bem como normas aplicáveis a campeonatos de Kartcross, como as do Campeonato Nacional de Kartcross. Apesar deste projeto de Kartcross ter sido baseado nos materiais e normas citados, ele não foi projetado para nenhuma competição específica, podendo não estar de acordo com todas as regras de quaisquer competições consultadas, ou não. Os regulamentos técnicos foram consultados apenas como um auxílio no desenvolvimento da estrutura de um Kartcross independente.

3.2. SELEÇÃO DO SOFTWARE E DESENVOLVIMENTO DA MODELAGEM

Para a modelagem 3D, foi optado pelo uso do SolidWorks Educacional como o software de modelagem 3D principal no projeto. Também foi utilizado o Autodesk Inventor 3D Educacional como uma forma de auxílio em alguns casos e para conferências e apresentações.

Utilizando o SolidWorks, o desenvolvimento da geometria do chassi foi começado a partir do zero, incorporando as informações e conhecimentos adquiridos durante a pesquisa inicial. Alguns dos recursos utilizados do SolidWorks Educacional foram: o esboço 3D, componente estrutural, soldagem, aparar/estender, edição direta, recursos de padrão linear, corte extrudado e espelhar.

Os recursos de esboço 3D pode ser mostrado na figura 3, e o recurso componente estrutural se encontra na figura 4.

Figura 3 – Recurso de esboço 3D no SolidWorks.

Fonte: Arquivo pessoal.

Figura 4 – Recurso de componente estrutural no SolidWorks.

Fonte: Arquivo pessoal.

3.3. ESCOLHA DE MATERIAIS

Após avaliar as opções de materiais disponíveis para o uso em projetos parecidos, foi escolhido o aço carbono 1020 para o chassi do Kartcross. Os tubos de aço carbono 1020 trouxeram uma combinação de robustez e custo baixo para uma fabricação futura do protótipo.

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES

A Figura 5 a seguir mostra a representação 3D do chassi do Kartcross desenvolvido em diferentes pontos de vista, destacando as principais características de design, como a geometria dos tubos, pontos de fixação de componentes e estrutura geral.

Figura 5 – Modelagem 3D do chassi. A – Lateral frontal; B – Frontal; C – Lateral traseira.

Fonte: Arquivo pessoal.

O Quadro 1 apresenta as dimensões e propriedades críticas do chassi, incluindo comprimento, largura, altura e distância entre eixos:

Quadro 1 – Propriedades do chassi.

Propriedades do chassi
Comprimento máximo2138 mm
Largura máxima1190 mm
Altura máxima1029 mm
Distância entre eixos1700 mm
Espessura da parede dos tubos2,65 mm
Diâmetro dos tubos1″
Peso total60,5 Kg

Fonte: Arquivo pessoal.

Com base nos resultados das medições feitas após a modelagem finalizada, é possível constatar que o comprimento máximo, a largura máxima e a distância entre eixos seguem as normas estabelecidas pelo regulamento técnico do Campeonato nacional de Kartcross, bem como a espessura da parede dos tubos, que foi superior ao mínimo exigido pelo regulamento em todos as partes do chassi, visto que este chassi foi projetado com todos os tubos de mesma espessura de parede e diâmetro.

Além disso, todos os tubos utilizados no chassi são tubos NBR 5580 de 1”, por isso o diâmetro e espessura da parede pré-estabelecidos.

Por fim, o peso do chassi é de 60,5 Kg, o que somado ao peso do piloto, peso do motor e demais componentes como suspensão, bancos, equipamentos de segurança, chegarão aos 280 Kg mínimos estabelecidos pela norma.

Com isso, é possível ver que a estrutura do chassi deste artigo atende à algumas normas de segurança, porém para a comprovação da rigidez estrutural do chassi e determinação do coeficiente de segurança, se faria necessário uma análise estrutural por elementos finitos ou um teste físico com a fabricação do protótipo.

5. CONCLUSÃO

Inicialmente este projeto teve o objetivo de passar por todos os processos de concepção e modelagem 3D de um chassi de Kartcross, visto a crescente da prática tanto profissional quanto amadora, podendo servir de base para projetos futuros garantindo desempenho e segurança.

Com isso, foi possível alcançar resultados satisfatórios ao que dizem respeito à modelagem do chassi, visto que, todo o material de consulta utilizado de auxílio pôde ter um papel essencial na concepção preliminar e servir de norte para uma modelagem autêntica e segura. Foi visto que o chassi em questão atingiu certos objetivos de se enquadrar em normas de segurança, como o regulamento técnico do Campeonato Nacional de Kartcross (CBA), como nos aspectos de dimensões e peso.

Uma parte crucial que pode ser executada após todo o processo abordado neste artigo é a simulação por elementos finitos, pois com ela é possível entender os pontos críticos do projeto e reforçá-los aumentando a confiabilidade e segurança do veículo, bem como identificar áreas a serem otimizadas para aumentar o desempenho em competições.

Por fim, este artigo tem sua importância no que diz respeito à competições amadoras ou profissionais de veículos Off-roads ou de chassi tubular, visto que aborda temas de concepção e modelagem desses veículos e pode ser utilizado como consulta de futuros projetos com objetivos parecidos.

6. REFERÊNCIAS

ANSYS. ANSYS. Disponível em: <https://www.ansys.com/>. Acesso em 21 de maio de 2023.

AUTODESK. Autodesk Inventor: software de projeto mecânico para ideias ambiciosas. Disponível em: < https://www.autodesk.com.br/products/inventor/overview>. Acesso em 26 de setembro de 2023.

BEER, Ferdinand; JOHNSTON JR., E. Russell; DEWOLF, John; MAZUREK, David. Mechanics of Materials. McGraw-Hill Science, 2008.

CBA – Confederação Brasileira de Automobilismo. Campeonato Brasileiro de Velocidade na Terra – Categoria Kartcross – Regulamento Técnico 2022. Rio de Janeiro, 2022.

DASSAULT SYSTEMES. CATIA. Disponível em: <https://www.3ds.com/products-services/catia/>. Acesso em: 21 de maio de 2023.

DASSAULT SYSTEMES. SOLIDWORKS. Disponível em: <https://www.solidworks.com/pt-br>. Acesso em: 21 de maio de 2023.

GILLESPIE, T. D. Fundamentals of Vehicle Dynamics. 2nd ed. Warrendale, PA: Society of Automotive Engineers, 1992.

HAPPIAN, J. S. An Introduction to Modern Vehicle Design. Society of Automotive Engineers, Inc: Reed Educational and Professional Publishing, 2002.

JAZAR. R. N. Vehicle Dynamics: Theory and Applications. Riverdale, NY: Springer, 2008.

LAQMETAL. Châssis kart cross thermolaqué. Disponível em: <https://www.laqmetal.fr/thermolaquage/chassis-kart-cross-thermolaque/>. Acesso em 23 de maio de 2023.

NORTON, Robert L. Projeto de máquinas: Uma abordagem integrada. 4ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2013.

OLIVEIRA, Fernando César Gama de. Contribuição ao desenvolvimento de uma estrutura veicular tipo spaceframe usando método dos elementos finitos e métodos heurísticos de otimização numérica. Dissertação de mestrado em Engenharia Mecânica. Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Mecânica. Uberlândia – MG, março de 2007.

PORTALSAOFRANCISCO. Chassi – O que é. Disponível em: <https://www.portalsaofrancisco.com.br/mecanica/chassi>. Acesso em: 23 de maio de 2023.

RACING. Brasileiro de Kartcross esgota 38 vagas do grid em dez minutos. 2021. Disponível em: <https://racingonline.com.br/noticias/brasileiro-de-kartcross-esgota-38-vagas-do-grid-em-dez-minutos/>. Acesso em: 11 mar. 2023.

REIMPELL, J. The Automotive Chassis: Engineering Principles. 2° edição. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2001.

1: Aluno graduando do curso de Engenharia Mecânica da IES UniRedento/Afya. E-mail: amaurilio1601@gmail.com

2: Professor do curso de Engenharia Mecânica da IES UniRedentor/Afya. Técnico em Gestão de Qualidade com Pós-graduação em Docência do Ensino Superior. E-mail: jarilson17@gmail.com

3: Aluno graduando do curso Engenharia Mecânica da IES UniRedentor/Afya.
E-mail: vitorleal1761@gmail.com