Arquiteturas de suspensão, geometria e controle das rodas

Uma arquitetura de suspensão determina como a roda é restringida ao se mover, esterçar e transmitir forças. Nomes como MacPherson, braços triangulares duplos e multilink descrevem disposições de braços e articulações; isoladamente, eles não preveem todo o comportamento de conforto e dirigibilidade apresentado na EV suspension overview.

Cinemática e flexibilidade

Uma manga de eixo pode se transladar e girar em três dimensões. Os braços da suspensão restringem a maioria desses graus de liberdade, mas permitem uma trajetória projetada durante a compressão e a extensão. Cinemática descreve esse movimento geométrico ideal. Elastocinemática, ou cinemática da flexibilidade, descreve o movimento adicional provocado quando buchas, juntas, braços, subchassis e a carroceria se deformam sob as forças dos pneus.

Ambas importam. Uma arquitetura pode apresentar cambagem desejável em uma bancada de geometria, mas adquirir uma variação indesejada de convergência durante a frenagem porque uma bucha se deforma. Por outro lado, uma flexibilidade cuidadosamente orientada pode absorver um impacto ou acrescentar convergência estabilizadora sob carga lateral. Por isso, o desenvolvimento moderno combina simulação multicorpos, modelos de rigidez, ensaios de cinemática e flexibilidade, trabalhos de durabilidade e calibração em estrada. SAE: three-dimensional analysis of major suspension layouts SAE: suspension kinematics and data-driven compliance

Os principais termos de geometria são:

Cambagem: inclinação da roda vista pela frente. Sua variação ao longo do curso da roda e da rolagem da carroceria afeta a forma como o pneu encontra a pista.
Convergência: indica se as rodas apontam para dentro ou para fora quando vistas de cima. A mudança indesejada da convergência com o curso da roda é comumente chamada de esterçamento por compressão.
Cáster, inclinação do eixo de direção e trail: geometrias da direção vistas de frente e de lado que influenciam o autoalinhamento, o esforço ao volante e a sensibilidade a perturbações.
Raio de rolagem: distância lateral, na pista, entre a interseção do eixo de direção e o centro da área de contato. Afeta as forças na direção durante frenagens e em condições de aderência desigual.
Centro de rolagem: representação geométrica usada para analisar como a força lateral se divide entre a força nos braços da suspensão e a rolagem elástica da carroceria. Não é uma articulação física e muda com a posição da suspensão.
Geometrias anti-mergulho e antiagachamento: orientações dos braços que direcionam parte da força longitudinal do pneu pelos elementos da suspensão para se opor à arfagem da carroceria. Valores excessivos podem transmitir mais perturbações à carroceria.
Relação de movimento: relação entre o curso da roda e o curso da mola ou do amortecedor. Ela altera a rigidez na roda, a velocidade do amortecedor e as forças necessárias nos componentes.

Não existe um único valor geométrico “ideal”. As metas dependem do comportamento dos pneus, do centro de gravidade, das bitolas, da distância entre eixos, da configuração de tração, da distribuição da frenagem, da direção, da aerodinâmica e do uso pretendido.

Arquiteturas independentes, acopladas e dependentes

Com suspensão independente, uma roda pode se mover verticalmente sem que um eixo rígido obrigue a roda oposta a acompanhar o mesmo movimento. Os dois lados ainda são acoplados pela carroceria, pelo subchassi, pela barra estabilizadora e, em alguns sistemas, por circuitos hidráulicos ou pneumáticos.

Um eixo traseiro de viga de torção costuma ser chamado de semi-independente. Seus braços arrastados podem se mover em magnitudes diferentes, mas a travessa torce e os acopla.

Com um eixo dependente, um elemento rígido conecta as duas mangas de eixo. O movimento de uma roda altera a posição do conjunto do eixo e pode influenciar diretamente a roda oposta. Eixos rígidos motrizes integram nesse elemento as funções do diferencial e dos semieixos; uma configuração De Dion liga as rodas, mas fixa o diferencial à carroceria.

Essas categorias descrevem o acoplamento, não a qualidade. Um carro compacto com viga de torção bem desenvolvida pode ser mais sereno do que um eixo traseiro independente mal calibrado, enquanto um eixo rígido pode ser a escolha racional para carga útil, durabilidade e articulação.

Colunas MacPherson e com braços inferiores separados

Uma arquitetura MacPherson usa a coluna de mola e amortecedor como elemento estrutural de posicionamento da roda. Um braço inferior, ou um conjunto de braços, posiciona a parte baixa da manga de eixo, enquanto o coxim superior da coluna e a barra de direção completam a geometria dianteira básica.

Seus pontos fortes são o baixo número de peças, o bom aproveitamento do espaço lateral e a área entre as torres da suspensão para a estrutura de impacto, os componentes de tração ou um compartimento de bagagem dianteiro. Entre suas limitações estão a elevada carga estrutural que passa pela coluna e pelo coxim superior, a sensibilidade ao atrito e à rigidez do coxim e um controle menos independente da cambagem e da geometria do eixo de direção do que em arquiteturas com braços superiores separados.

Eixos do tipo coluna com “dupla articulação”, “eixo duplo” ou “pivô duplo” dividem a função do controle inferior entre dois braços e criam um ponto virtual inferior de direção. Eles continuam pertencendo à família das colunas, mas o pivô virtual oferece aos engenheiros maior liberdade sobre o raio de rolagem, as perturbações na direção e os caminhos de força. A própria descrição da BMW de seu eixo com coluna de mola e dupla articulação mostra por que é enganoso reduzir toda arquitetura de coluna a um único braço triangular inferior. BMW: double-joint spring-strut and five-link axle construction

Braços triangulares duplos

Uma suspensão com braços triangulares duplos posiciona a roda por meio de braços superiores e inferiores. Os braços não precisam ter literalmente o formato da letra A; cada um pode ser dividido em braços separados, e a mola e o amortecedor podem atuar diretamente ou por meio de um balancim ou uma haste de empuxo.

Geometrias superiores e inferiores separadas dão aos engenheiros ampla liberdade para moldar o ganho de cambagem, o movimento do centro de rolagem, a posição do eixo de direção e os efeitos anti-mergulho ou antiagachamento. Também podem formar uma estrutura rígida de controle da roda com o amortecedor separado das cargas de direção.

O custo está no espaço e no número de componentes. Um braço superior compete com o envelope do pneu, a estrutura da carroceria e o espaço para bagagem dianteiro; braços curtos podem produzir variações geométricas agressivas, enquanto braços longos precisam de espaço. Uma geometria mal escolhida não é salva pelo nome.

Multilink

“Multilink” descreve uma família, não um único mecanismo padronizado. Braços separados controlam combinações diferentes dos movimentos longitudinal, lateral e rotacional. O resultado depende da posição, do tipo de articulação e da rigidez de cada um.

Um sistema de controle da roda com cinco braços geralmente usa cinco elementos independentes para restringir cinco dos seis graus de liberdade da manga de eixo, deixando livre o movimento projetado da suspensão. Os projetos reais são menos organizados do que essa descrição didática: um braço triangular pode contar como um braço ou dois links, um braço de convergência pode esterçar ativamente e os fabricantes adotam convenções diferentes de nomenclatura.

O valor de uma arquitetura multilink está na liberdade de calibração. Os engenheiros podem separar o controle de convergência do controle de cambagem, direcionar as forças de frenagem e tração por buchas diferentes e posicionar a mola e o amortecedor conforme o espaço de carga ou do motor. Os custos são um maior número de articulações, controle mais rigoroso das tolerâncias, maior complexidade de alinhamento e mais oportunidades para que flexibilidade ou desgaste alterem o comportamento.

O Porsche Taycan atual demonstra a diferença entre uma categoria e sua execução: a Porsche especifica controle dianteiro por braços triangulares duplos e uma traseira multilink em alumínio forjado, e depois combina essas arquiteturas com molas pneumáticas e amortecedores controlados. A construção não informa ao leitor qual tecnologia de mola ou amortecedor foi instalada. Porsche: Taycan front and rear suspension construction

Braços arrastados e vigas de torção

Um braço arrastado gira principalmente em torno de um eixo transversal à frente da roda. É compacto e estruturalmente direto para as cargas longitudinais, mas uma versão simples oferece pouco controle independente da cambagem e da convergência. Braços semiarrastados inclinam o eixo de rotação e acoplam deliberadamente o curso da roda às mudanças de cambagem e convergência.

Uma viga de torção conecta dois braços arrastados por meio de uma travessa projetada para torcer. Esse elemento posiciona as rodas e fornece parte da rigidez à rolagem do eixo, o que pode dispensar uma barra estabilizadora separada.

A arquitetura é compacta, tem poucas peças e é econômica, além de poder liberar um espaço valioso sob o assoalho e no compartimento de carga. Os movimentos das rodas e a flexibilidade são mais fortemente acoplados do que em um eixo totalmente independente, e cargas traseiras elevadas ou metas exigentes de conforto e dirigibilidade podem dificultar a otimização simultânea da viga, das buchas e dos pontos de fixação na carroceria. Estudos de engenharia mostram, ainda assim, que a geometria da travessa e a orientação das buchas oferecem margem significativa de calibração; “viga de torção” não é um veredito completo sobre o chassi. SAE: rear twist-beam geometry and bush optimization

Eixos rígidos e posicionamento por feixes de molas

Um eixo rígido mantém fixa em relação ao eixo a cambagem entre as duas rodas e oferece caminhos de carga robustos e simples. Continua relevante em vans, picapes e veículos fora de estrada, nos quais carga útil, reboque, articulação e durabilidade podem pesar mais do que as desvantagens de massa não suspensa e isolamento.

Feixes de molas podem sustentar a carroceria e também posicionar longitudinalmente um eixo, reduzindo o número de braços. Eixos dependentes mais sofisticados usam braços de controle separados, uma barra Panhard ou uma articulação de Watt para posicionar o eixo, enquanto molas helicoidais ou pneumáticas sustentam a carga.

Como o diferencial e grande parte do sistema de transmissão se movem com um eixo rígido motriz, a massa não suspensa pode ser elevada. Um eixo De Dion mantém o diferencial preso à carroceria, reduzindo essa penalidade sem eliminar o acoplamento lateral entre as rodas.

Geometria não é calibração

Dois veículos elétricos com a mesma arquitetura anunciada podem se comportar de maneira diferente por causa de:

relações de movimento da mola e do amortecedor;
altura estática e cursos úteis de compressão e extensão;
rigidez, direcionalidade e atrito das buchas;
rigidez do subchassi e das fixações à carroceria;
rigidez da barra estabilizadora e flexibilidade de seus pontos de montagem;
offset da roda, construção e pressão dos pneus e massa não suspensa;
metas e tolerâncias de alinhamento;
software de direção, frenagem e chassi ativo.

É por isso que suspension springs, suspension dampers e active suspension formam partes separadas desta série.

O que compradores e proprietários devem verificar

Considere o nome da arquitetura apenas um ponto de partida. Procure a construção exata da dianteira e da traseira, verifique se esterçamento traseiro ou controle ativo de convergência a alteram e se pacotes opcionais de suspensão substituem as molas, os amortecedores ou ambos.

O alinhamento das rodas deve ser avaliado na altura e com a carga especificadas. Baixar ou elevar o veículo, ou instalar uma roda com offset diferente, pode alterar cambagem, convergência, esterçamento por compressão, posição do centro de rolagem, ângulos dos semieixos e curso restante. Braços com buchas de borracha também podem precisar ser apertados na posição de projeto prescrita; prendê-los com a suspensão totalmente estendida pode pré-carregar as buchas na altura normal de rodagem.

Na estrada, avalie o resultado: precisão da direção sobre irregularidades, estabilidade ao frear, balanço da cabeça em excitações alternadas, ruído dos pneus, isolamento de impactos e a forma como o carro se estabiliza. A arquitetura cria possibilidades. Geometria, flexibilidade e calibração determinam quanto desse potencial chega ao motorista.