O Que É Um Monocoque?

A palavra monocoque é uma palavra francesa e significa célula única. Monocoque é derivado das palavras gregas: “mono” para único e “coque” para célula. Na Fórmula 1, monocoque refere-se à “célula de sobrevivência” que protege o piloto do carro de Fórmula 1.

Na Fórmula 1, um chassi monocoque é uma estrutura de casco único que integra o cockpit e os principais elementos de carga em uma única unidade rígida. Construído principalmente de compósitos de fibra de carbono, oferece uma proporção excepcional de resistência-peso, crucial para a segurança do piloto e eficiência aerodinâmica.

Diferente dos chassis tradicionais em escada ou em treliça, o design monocoque distribui uniformemente as forças de impacto, melhorando a integridade estrutural e a proteção contra colisões.

Exigidos pela FIA, os monocoques modernos de F1 passam por extensos testes de colisão para atender a regulamentos de segurança rigorosos enquanto otimizam a dinâmica do veículo e a rigidez torcional.

O que é um monocoque de F1?

Com a melhoria dos motores e das velocidades dos carros de Fórmula 1, os incidentes também aumentaram nas pistas de corrida. O risco para os pilotos de Fórmula 1, oficiais de corrida e espectadores também estava aumentando. Lesões e fatalidades também aumentaram, destacando o risco para o pessoal envolvido com um Grande Prêmio. A FIA e os construtores de carros de Fórmula 1 decidiram tornar os carros o mais seguros possível para todos os envolvidos. O objetivo era minimizar o risco para os pilotos, limitando os danos causados por um impacto e mantendo o entulho proveniente de um incidente ao mínimo. Esse movimento teve como objetivo melhorar muito a segurança do pessoal envolvido na corrida.

O designer e chefe da equipe Lotus, Colin Chapman, foi o primeiro homem a usar um monocoque em um carro de Fórmula 1. Convencionalmente, uma estrutura tubular de alumínio era usada na construção de carros de Fórmula 1. Chapman usou uma estrutura leve de metal rebitado em vez de uma estrutura tubular no Lotus 25 em 1962. Essa foi a primeira instância do uso de um monocoque em um carro de Fórmula 1. O experimento foi altamente bem-sucedido. As equipes seguiram o exemplo de Chapman e começaram a pesquisar com vários materiais para construir um monocoque.

Em 1981, a McLaren lançou uma célula de segurança de fibra de carbono em seu carro de Fórmula 1. A Lotus começou a pesquisa em compósitos de resina reforçada com carbono e kevlar. Eles usaram a metodologia “cortar e dobrar” que substituiria as peles de alumínio pré-coladas nos carros de Fórmula 1. A McLaren ao mesmo tempo realizava pesquisas em compósitos de fibra de carbono. Em 1983, a McLaren lançou o MP4/1C, o primeiro carro de Fórmula 1 com um monocoque moldado em fibra de carbono. O crédito pelo design e construção do monocoque vai para o engenheiro principal da McLaren, John Barnard. Embora o carro tenha sido originalmente equipado com um motor Ford, a McLaren posteriormente mudou para um motor Porsche. A Hercules Aerospace construiu o primeiro monocoque para a McLaren.

Como é feito um monocoque de carro?

Os primeiros monocoques foram construídos em dois moldes macho. A McLaren usava camadas alternadas de fibra de carbono intercaladas com colmeias de liga. A Lotus usava folhas de fibra de carbono compostas em camadas dobradas. Os dois moldes eram posteriormente colados juntos nas anteparas para formar o monocoque. O uso de moldes macho significava que a superfície externa tinha um acabamento áspero. Mas esse método foi adotado para que os pontos de montagem da suspensão pudessem ser colocados com precisão. O chassi era forte e suportava muito bem as forças de impacto.

Os compósitos de carbono provaram ser muito resilientes e os construtores ficaram satisfeitos com o material, e todas as equipes logo começaram a experimentar compósitos de carbono para construir um monocoque.

Em 1983, a equipe ATS experimentou uma nova maneira de fabricar o monocoque. Eles usaram um molde fêmea para construir as duas metades do monocoque. O resultado foi um monocoque com uma superfície externa acabada muito mais lisa. Com uma superfície mais limpa, a ATS conseguiu eliminar totalmente a carroceria externa. O carro ficou muito mais leve após eliminar a carcaça externa do carro. A Ferrari não demorou a seguir esse método de moldagem do monocoque. A Ferrari 126C3 foi construída com um chassi totalmente em compósito de carbono.

O advento da aerodinâmica avançada fez com que os carros começassem a ter formas mais complexas. Por volta de 2000, o molde foi dividido em várias seções ou partes. Todas elas foram coladas para formar o monocoque. Todas as equipes recorreram a monocoques de compósito de carbono por sua maior resistência e segurança. A pesquisa e a experimentação com compósitos resultaram em materiais com melhor resiliência e capacidade de suportar impactos. O compósito agora usado em monocoques é duas vezes mais forte que o aço, mas cinco vezes mais leve.

Todas as seções de um monocoque são feitas à mão. Doze camadas de mantas de fibra de carbono são colocadas, uma sobre a outra, em um molde. Uma manta de fibra de carbono é feita de fios muito finos entrelaçados. Cada um desses fios é cinco vezes mais fino que um fio de cabelo humano. Dependendo das cargas esperadas em cada seção, mantas com diferentes padrões de trama são usadas em diferentes moldes. Para aumentar a rigidez do monocoque, uma camada de alumínio com padrão de colmeia é inserida entre duas mantas de carbono.

A carcaça é então aquecida em um autoclave. Um autoclave é um forno gigante sob pressão negativa. São necessárias duas horas e meia de aquecimento a uma temperatura predeterminada para que a carcaça endureça. Esse procedimento é repetido mais duas vezes para temperar a carcaça. Isso torna a carcaça forte e resiliente o suficiente para proteger os pilotos em acidentes muito graves. Quando Giancarlo Fisichella bateu seu carro no Grande Prêmio de Silverstone de 1997, ele saiu apenas com uma leve lesão no joelho. Uma análise do Gravador de Dados do Acidente (caixa preta) mostrou posteriormente que seu carro parou de 227km/h em apenas 0,72 segundos.

Avanços Técnicos

Ao longo dos anos, as equipes de Fórmula 1 vêm constantemente ultrapassando os limites do design de monocoques e dos materiais para melhorar o desempenho e a segurança do piloto. Um dos avanços mais significativos tem sido a ampla adoção de polímeros reforçados com fibra de carbono (CFRPs). Os CFRPs oferecem uma proporção excepcional de resistência/peso, permitindo que as equipes construam monocoques mais leves e mais fortes. Isso foi alcançado através de avanços nos processos de fabricação, como o uso de técnicas de camadas de alta precisão e cura em autoclaves, que garantem o alinhamento e a ligação ideais das fibras de carbono.

Inovações recentes na tecnologia de monocoques incluem a integração de estruturas em colmeia dentro das camadas de CFRP. Essas estruturas em colmeia, normalmente feitas de materiais leves como alumínio ou Nomex, fornecem resistência adicional à deformação e absorção de energia durante impactos. Ao posicionar estrategicamente essas camadas em colmeia em áreas propensas a altos esforços, como as laterais e a seção do nariz, as equipes aumentaram ainda mais a integridade geral do monocoque.

Outra área de avanço é o desenvolvimento de camadas de CFRP multidirecionais. Ao orientar as fibras de carbono em várias direções, os engenheiros podem otimizar a resistência e rigidez do monocoque em áreas específicas. Isso permite melhor distribuição de carga e características aprimoradas de dirigibilidade, já que o monocoque pode resistir com mais eficácia às forças de torção e flexão encontradas durante curvas e frenagens em alta velocidade.

Algumas equipes de F1 também experimentaram a integração de outros materiais avançados na construção do monocoque. Por exemplo, a McLaren incorporou inserções de titânio em áreas de alta tensão para melhorar a integridade estrutural minimizando o peso. A Ferrari, por sua vez, explorou o uso de grafeno, um material de carbono de camada única com propriedades excepcionais de resistência e rigidez, para melhorar o desempenho de seus monocoques.

Avanços em tecnologias de simulação e modelagem permitiram às equipes otimizar os projetos de monocoques virtualmente antes da fabricação física. A Análise de Elementos Finitos (FEA) e as simulações de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) permitem que os engenheiros prevejam o comportamento do monocoque sob vários cenários de carga, identificando possíveis pontos fracos e refinando o design de forma correspondente. Esse processo de testes virtuais não apenas acelerou o ciclo de desenvolvimento, mas também reduziu a necessidade de protótipos físicos caros.

Traduzido do artigo original em inglês “What Is A Monocoque?“