A JCB britânica desenvolveu um carro de recordes para veículos de motor diesel – e acabou tendo o primeiro automóvel desenhado inteiramente em computador.
Num carro de Fórmula 1, tudo se resume à palavra eficiência – e gasta-se um bocado de dinheiro tentando atingi-la través da engenharia.
Num carro para quebra de recordes, especialmente um com motor diesel, não há parâmetros anteriores sobre os quais se apoiar nesta busca, nem regulamentos a se seguir. O que há, e só isso, são as leis da Física.
Uma empresa de ponta chamada Visoneering, teve de juntar idéias, vindas de um grupo de engenheiros e técnicos avançados, com visões inovadoras, e tentar chegar ao objetivo colimado: quebrar um recorde de velocidade com algumas décadas de existência.
Ron Ayers foi o aerodinamicista escolhido e a Visioneering, de John Piper, a empresa que construiu o ‘envelope’ da carroçaria: Ron estabeleceu a forma externa e John ‘empacotou’ tudo lá dentro.
Para chegar a este estágio, a Visioneering fez um modelo de computador bidimensional altamente detalhado, revelando todos os componentes para ajudar em sua identificação e em sua praticabilidade um em relação aos outros.
Um modelo em escala real foi então construído para checagem final de todos os aspectos do conceito antes dos trabalhos no carro final serem iniciados. Como John disse depois, “Entre nós dois, a diferença é apenas cultural.”
Num carro de recordes, a aerodinâmica é vital. A forma de sua carroçaria tem de ser aerodinamicamente eficiente, mas não apenas ela: sua parte inferior é também de importância crítica, já que o ar que flui lá por baixo gera cerca da metade do arrasto.
O local da tentativa de recorde é o Lago Salgado de Utah, nos Estados Unidos, e Ron crê que a interação entre o pneu e o sal tem um efeito significativo na eficiência aerodinâmica: o sal e as sujidades jogados para trás e para cima pela passagem do carro diminui sua velocidade.
Para minimizar esse arrasto, ele desenhou cuidadosamente não apenas as ‘polainas’ ao redor da parte inferior das rodas, mas também os pontos de ‘afogamento’ entre as rodas.
O borrifamento sob a frente do carro é defletado para os lados logo atrás das rodas dianteiras, garantindo que as rodas traseiras girem sobre uma superfície tão limpa quanto possível.
Todo o estudo de aerodinâmica foi feito com a utilização computacional de dinâmica de fluidos e não em túnel de vento, por várias razões.
Nas velocidades esperadas, os efeitos de compressibilidade começam a se tornar importantes.
Por exemplo, na região perto dos pontos de contato entre pneus e piso, o fluxo de ar já é supersônico – e esses efeitos não podem ser simulados num túnel de vento, mesmo com piso rolante.
Outra razão é de escala: se o veículo estreito e longo fosse colocado num túnel de vento com piso rolante, o modelo em escala maior seria 1:6, e a margem de erro seria grande demais.
As maiores mudanças de forma que tiveram de ser feitas envolveram o nariz, que teve de ser alongado e arredondado, a traseira, que também teve de ser alongada, e a área frontal que teve de ser minimizada.
As relações entre arrasto aerodinâmico, arrasto de ‘pele’ (quanto maior a área de superfície, mais alto o arrasto de pele) e a força para baixo.
Lembrem de uma flecha: é a cauda, ou ‘plano de deriva’, que em vôo mantém a estabilidade, não a ponta.
O final é um carro bonito e eficiente, com um Cx de 0,174 e uma área frontal de 0,153 m², resultados extraordinários mesmo para carros de recorde.
Gary Major, chefe da JCB Industrial Design, e o designer Mike Turner passaram um dia na casa de Richard Noble, famoso piloto de carros de recordes, antes de colocarem a primeira linha na tele do CAD (Computer Aided Design, desenho ajudado por computador).
Richard e Ron lhes deram um curso intensivo na história dos recordes de velocidade terrestre e seus princípios aerodinâmicos.
A partir daí, Gary e Mike criaram um tema inicial de desenho, capturando a essência do desenho streamliner (fusiforme, aerodinâmico), com as linhas afilando em direção à traseira, exagerando a perspectiva e criando um ponto de fuga quando vista de três quartos traseiro.
O desenho final integra os perfis ditados pelo desenvolvimento aerodinâmico de Ron e reflete a área frontal otimizada de John.
A admissão dianteira de ar e o perfil do nariz evocam os famosos carros streamliners do passado, como o Bluebird de Donald Campbell e o Railton Special de John Cobb.
Agora, o que está lá dentro:
A célula do cockpit é uma estrutura monocoque tipo banheira feita em composto de fibra de carbono, com a mandatória gaiola de tubos de aço.
A célula de combustível de nove (9) litros vai atrás do banco do piloto.
Um painel de piso em composto de plástico, em três peças, é parafusado e colado à parte inferior do chassi, para aumentar a rigidez.
O trem de força dianteiro está à frente do piloto, o trem de força traseiro atrás dele.
Isso não apenas otimiza a distribuição de pesos, mas coloca o piloto na melhor posição possível para monitorar o comportamento do carro, e na melhor posição num caso de acidente.
John Piper, o designer chefe, optou por um chassi espacial em tubos de aço quadrados de 50 mm de face, o sistema mais eficiente em termos de custo, tanto para um protótipo como para um produto acabado, já que permite que mudanças sejam feitas com muito mais simplicidade do que seria o caso numa estrutura em fibra de carbono – que, aliás, não seria permitida dentro das regras que governam a Semana de Velocidade de Bonneville.
Quando o chairman da JCB britânica, Sir Anthony Bamford, resolveu que a empresa iria construir seu próprio motor, os observadores acharam que isso nunca seria economicamente viável, já que a empresa imaginava produzir entre 30 e 40 mil unidades/ano, muito abaixo das 100 mil normalmente consideradas mínimas.
Mesmo assim, a JBC foi em frente e o motor JBC444 tornou-se uma das principais histórias de sucesso da JBC e da própria indústria automotiva britânica.
O motor de produção da JBC Power Systems teve sua produção iniciada em 1º de novembro de 2004, e 16 meses depois já era produzido a 100 unidades/dia e atualmente equipa as carregadeiras e a manipuladora telescópica Loadall da empresa.
O JBC444 é um motor diesel médio de quatro cilindros em linha, 16 válvulas, com 1,1 litro por cilindro – daí seu nome.
Com o recorde de velocidade para veículos com motor diesel, a JCB quer mostrar que seu motor é versátil e tão bom que faz face a um ambiente de engenharia totalmente diferente – e extremamente desafiador.
“O JCB 444 tem uma parte de baixo extremamente resistente, projetada para ficar horas, horas e horas entregando sua máxima potência. É um motor parrudo, de longa vida, que tem a resistência inerente para lidar com as altas pressões de cilindro quando seus dois turbos aumentam sua potência para 750 hp.”
Já os motores modificados para o recorde de velocidade deslocam 5 litros cada um e desenvolvem quase 153 kgm de torque a 2.000 giros, com limite de 3.800 rpm, com uma expectativa de vida de duas horas – altíssima para um motor de competição.
Trabalham com dois turbocompressores e dois intercoolers, são refrigerados com um tanque de gelo de 180 litros e são deitados a um ângulo de 10 graus da horizontal, para minimizar a área frontal do veículo. A potência máxima agregada é de 750 hp a 3.800 rpm.
A JCB diz que “o motor é a alma do carro, e seu sistema de combustão é a alma do motor”. Os Dieselmax foram desenhados com a tecnologia de injeção direta High Speed Diesel Race, HSDR, da famosa empresa projetista Ricardo.
O combustível é entregue através de duas bombas de alta pressão a um sistema common-rail com uma pressão de injeção de 1.600 bar. O cabeçote foi modificado para receber os injetores maiores do sistema HSDR.
O trem de válvulas, porém, é quase exatamente o mesmo do motor básico, com exceção do material especificado para alta temperatura da válvula de escape e das molas de válvulas.
Os pistões são completamente redesenhados e a razão de compressão é menor, para reduzir as possibilidades de danos térmicos aos componentes das câmaras de combustão.
O arrefecimento dos pistões é garantido dobrando o tamanho dos jatos de óleo de refrigeração e pela adição de um outro jato de refrigeração, os quais, juntos, aumentam o fluxo de óleo refrigerante cerca de 600%.
Bielas completamente novas, totalmente usinadas, e um mancal pequeno muito aumentado, garantem resistência e robustez.
A Ricardo calculou que para a tentativa de recorde, os dois motores precisariam de um fluxo de ar de admissão de quase 5 toneladas por hora – e como isso teria de ser feito a uma altitude de 1.300 metros acima do nível do mar, com 85% da pressão, os dois motores precisarão de 5,2 bar de sobrepressão à potência máxima.
Esse número pode ser melhor entendido quando se sabe que um diesel em Le Mans tem uma sobrepressão de 3 bar – e um Fórmula 1 da era do turbo recebia quase 4 bar.
Duas caixas manuais de seis marchas são usadas, uma para cada motor, acoplada através de um arranjo escalonado e um ‘pacote’ de embreagem multi-disco da carregadeira JCB mais avançada da empresa.
Um tubo de torque engloba a caixa de mudanças e a conecta ao resto da linha de força. A mudança de marchas em ambas de caixas, feita através de pequenas manivelas junto ao volante, é sincronizada e eletronicamente controlada.
Não há controle de tração, não apenas por ser proibido pelas regras, mas também porque uma das bases do projeto é mantê-lo tão simples quanto possível – e pelo fato de que o fator Mu, o coeficiente de atrito, do sal impede acelerações muito fortes, que se usadas simplesmente farão com que os pneus girem em falso.
A suspensão é independente, por duplos triângulos, molas helicoidais e amortecedores hidráulicos.
O JCB DIESELMAX emprega um sistema de frenagem triplo, com freios de atrito nas quatro rodas, freio-motor controlado pelo piloto, e pára-quedas.
Os discos de carbono não são presos por pinças de seis válvulas, mas por pistões de freio montados dentro do pino mestre.
Esses pinos são acionados por um tubo de torque que os empurra hidraulicamente contra uma carcaça que prende o disco.
Esse sistema amplia a área varrida e é capaz de parar o carro se houver uma falha no sistema duplo de pára-quedas.
Como diz John, “O carro é quatro vezes mais pesado e quase duas vezes mais veloz que um carro de Fórmula 1, o que quer dizer uma massa muito grande a ser parada, e um bocado de calor a ser dissipado.
O sistema nos permite usar um freio tão grande quanto possível dentro de uma roda de 15 polegadas, que estarão girando a 5.500 rpm, ou duas vezes a rotação das rodas de um carro de Fórmula 1.”
O problema de achar pneus adequados ficou com o engenheiro chefe do projeto, David Brown, que diz que “Depois das condições salinas, o maior desafio é o dos pneus. É crítico ter a borracha certa, não se pode jogar roleta russa com a vida de um homem.” Ele logo descobriu duas coisas: os pneus comercialmente disponíveis possuíam dados técnicos variáveis, para facilitar a tomada de decisões a respeito deles num carro de 2.700 kg andando ao redor de 500 km/h.
Os dados deveriam incluir a velocidade máxima que eles podem suportar, a carga e a pressão necessária de inflação, mas a maioria dos pneus para Bonneville vêm apenas com a velocidade máxima permissível e nada mais.
Os pneus adequados, Goodyear 23 x 15, foram finalmente achados e testados em laboratório para garantir a segurança à velocidade prevista.
As dimensões, em milímetros, são: comprimento, 9.091, largura 1.145 mm, altura no topo da carlinga 979, no topo do leme 1.337, bitola dianteira 800, bitola traseira 600 e entreeixos 5.878. O peso, incluindo combustível, lubrificante, gelo, água e piloto, 2.700 kg.
