Suspensão dos veículos elétricos: controlo das rodas, conforto de marcha e comportamento dinâmico

A suspensão é o sistema mecânico e eletrónico que gere as forças entre os pneus e a carroçaria de um veículo elétrico. A sua função não consiste apenas em tornar a marcha suave: tem de conservar uma carga útil sobre os pneus, controlar o movimento da carroçaria, proporcionar curso de suspensão, isolar ruído e vibrações e transportar o veículo em segurança durante a travagem, a aceleração e as curvas.

O que a suspensão controla

Uma solicitação da estrada começa na área de contacto do pneu. O pneu deforma-se, a roda e o cubo movem-se, os braços e as ligações da suspensão guiam esse movimento, a mola armazena energia e o amortecedor transforma parte do movimento em calor. Os casquilhos, os subchassis, os bancos e a estrutura da carroçaria determinam quanto da perturbação restante chega aos ocupantes.

Por conseguinte, o sistema tem várias tarefas simultâneas:

manter a roda dentro de uma gama útil de camber e convergência à medida que se move e vira;
limitar as variações da carga vertical sobre o pneu, para que este possa gerar forças previsíveis de travagem, de curva e de tração;
controlar o movimento vertical (heave), a arfagem (pitch, rotação para a frente e para trás) e o rolamento (roll, rotação de um lado para o outro) da carroçaria;
absorver as solicitações da estrada sem atingir repetidamente os batentes de compressão ou de extensão;
suportar cargas variáveis de passageiros, bagagem e reboque, mantendo uma altura ao solo aceitável;
isolar o ruído transmitido pela estrutura sem tornar impreciso o posicionamento das rodas.

Nenhuma suspensão consegue manter a força do pneu perfeitamente constante. Uma lomba, uma depressão ou uma solicitação da direção redistribui sempre a carga, e um pneu que esteja no ar não consegue gerar força sobre a estrada. O objetivo de engenharia consiste em controlar a amplitude, a rapidez e a duração dessas alterações dentro dos limites da aderência e do curso de suspensão disponíveis.

Um modelo útil: carroçaria, roda e estrada

O modelo de suspensão útil mais simples representa um canto do automóvel através de duas massas móveis:

a massa suspensa: a parcela da carroçaria, da bateria, dos ocupantes e da carga suportada pela mola;
a massa não suspensa: principalmente a roda, o pneu, o cubo, o travão e uma parcela dos braços e das ligações da suspensão;
a mola e o amortecedor da suspensão entre essas massas;
a rigidez e o amortecimento do pneu entre a massa não suspensa e a estrada.

Este modelo de «um quarto de veículo» com dois graus de liberdade é deliberadamente incompleto, mas revela o compromisso central. O isolamento suave da carroçaria, o controlo rigoroso do curso da suspensão e pequenas variações da carga sobre o pneu não podem ser todos otimizados de forma independente com uma mola e um amortecedor passivos. Alterar um parâmetro modifica mais do que um resultado. SAE: dynamic behavior of passive and active suspension systems

Numa aproximação de uma única massa com amortecimento ligeiro, a frequência natural da carroçaria é:

fₙ ≈ (1 / 2π) × √(kᵥ / mₛ)

Aqui, kᵥ é a rigidez vertical na roda em N/m e mₛ é a massa suspensa suportada nesse canto em kg. No veículo real, as quatro rodas estão acopladas e existem também modos de vibração dos pneus, bancos, casquilhos e estrutura; por isso, esta equação é uma ferramenta de raciocínio, não uma previsão completa do conforto de marcha.

O conforto de marcha também não se resume a um único valor universal de aceleração. A sensibilidade humana depende da frequência, da direção e da duração da vibração, da postura e dos choques transitórios. Por esse motivo, a ISO 2631-1 avalia a vibração de corpo inteiro ponderada em frequência, em vez de tratar toda a aceleração como equivalente. ISO 2631-1: whole-body vibration evaluation

Os percursos das forças

Os componentes da suspensão desempenham funções diferentes:

Os pneus são as primeiras molas e os primeiros amortecedores do percurso. A sua construção, pressão, dimensão e temperatura podem alterar tanto o conforto de marcha como a direção.
As molas suportam a carga estática e armazenam energia à medida que a suspensão se move. Estabelecem a altura de marcha e, em conjunto com a geometria, a rigidez na roda.
Os amortecedores resistem ao movimento relativo e dissipam energia. Na conceção habitual dos automóveis de passageiros, não suportam o peso estático do veículo.
As ligações, os braços, as articulações e as colunas de suspensão condicionam a trajetória da roda e transmitem forças longitudinais, laterais e verticais.
Os casquilhos e apoios acrescentam flexibilidade e isolamento intencionais. A sua deformação sob força — a elastocinemática — pode alterar a convergência, o camber e a resposta da direção.
As barras estabilizadoras acrescentam força elástica sobretudo quando as rodas esquerda e direita se deslocam em amplitudes diferentes.
Os batentes de compressão e de extensão tornam-se molas auxiliares perto dos limites do curso.
Os sensores, as válvulas, as bombas e os atuadores podem variar o amortecimento, a altura de marcha, a rigidez ao rolamento ou a força num canto individual.

Estes componentes não podem ser avaliados isoladamente. Um amortecedor de baixo atrito só é valioso se os respetivos apoios e articulações lhe permitirem responder. Mesmo um eixo multilink sofisticado pode provocar reações imprevisíveis da direção se os casquilhos se deformarem na direção errada. Uma mola principal macia pode proporcionar uma marcha dura se o automóvel passar demasiado tempo apoiado nos batentes de compressão.

Por que razão os veículos elétricos alteram o problema de calibração

As leis da suspensão não mudam num automóvel elétrico, mas os parâmetros de projeto mudam frequentemente.

Uma bateria de tração pode alterar a massa total, a distribuição da carga pelos eixos, a inércia de guinada e de arfagem e o espaço estrutural disponível em redor da suspensão. Por conseguinte, converter uma plataforma existente de propulsão por combustão para propulsão elétrica a bateria pode exigir uma reavaliação da rigidez na roda, do amortecimento, da rigidez ao rolamento, do curso, do camber e da convergência, em vez de um simples aumento da rigidez das molas. SAE: reassessing suspension characteristics after EV conversion

Várias características dos veículos elétricos merecem especial atenção:

Uma bateria montada no piso coloca uma massa suspensa considerável numa posição baixa da carroçaria. Isso pode reduzir o momento de rolamento gerado por uma determinada aceleração lateral, mas não elimina a necessidade de controlar o rolamento nem a transferência de carga nos pneus.
Uma massa elevada do veículo aumenta a energia envolvida no movimento da carroçaria e as forças necessárias para o deter dentro de um curso finito. Contudo, a massa, por si só, não determina se um veículo elétrico terá bom conforto de marcha.
Um binário de tração elevado e uma desaceleração regenerativa forte podem tornar mais percetíveis a calibração da arfagem e as alterações da carga sobre os eixos.
Rodas grandes, pneus largos e travões de grandes dimensões podem aumentar a massa não suspensa e a rigidez dos pneus. O seu efeito tem de ser avaliado como um conjunto completo de roda e pneu.
Com pouco ruído do motor a mascará-los, os impactos, o sopro dos amortecedores, o ruído da cavidade dos pneus e as solicitações transmitidas pelos casquilhos podem ouvir-se com maior facilidade.
Uma altura de marcha regulável pode proteger a bateria em estradas degradadas ou baixar a carroçaria a alta velocidade, mas qualquer benefício para a autonomia depende da aerodinâmica do veículo, da estratégia de controlo e da energia consumida pelo sistema.

A conclusão correta não é que todos os veículos elétricos necessitem de suspensão pneumática ou ativa. É que uma distribuição de massa, um conjunto de pneus, uma estrutura e um ciclo de utilização específicos de um veículo elétrico exigem uma calibração igualmente específica.

Como se articulam os cinco artigos

A designação do equipamento numa ficha de especificações conta apenas uma parte da história:

suspension layouts and wheel-control geometry explica as configurações de controlo das rodas, a cinemática, a flexibilidade, o alinhamento e a integração física dos componentes.
suspension springs explica a rigidez na roda, as molas helicoidais e pneumáticas, as barras estabilizadoras, o curso e o suporte de carga.
suspension dampers explica o comportamento força–velocidade, a compressão e a extensão, as válvulas passivas e o amortecimento adaptativo.
active suspension distingue a autonivelação, o amortecimento semiativo, o controlo ativo do rolamento, o controlo preditivo e a suspensão totalmente ativa.

O atual Taycan da Porsche ilustra bem por que razão é necessário separar estas camadas: o sistema de série combina molas pneumáticas de duas câmaras, amortecedores de duas válvulas com controlo contínuo, controlo das rodas dianteiras por triângulos sobrepostos e um eixo traseiro multilink, enquanto o Porsche Active Ride acrescenta bombas hidráulicas capazes de gerar forças específicas em cada roda. «Pneumática», «adaptativa» e «ativa» descrevem funções diferentes dentro desse mesmo chassis. Porsche: Taycan chassis, air suspension and Active Ride

Como avaliar a suspensão de um veículo elétrico

Uma ficha de especificações não revela o atrito de arranque, as curvas dos amortecedores, o comportamento dos casquilhos, o curso disponível, a construção dos pneus nem a calibração do software. Por conseguinte, um ensaio de estrada cuidadoso deve isolar as condições, em vez de procurar uma única impressão vaga:

Verifique a dimensão, o tipo, a pressão e a carga dos pneus antes de comparar veículos.
Utilize o mesmo modo de condução e uma carga semelhante de passageiros ou bagagem.
Inclua juntas de bordo vivo, pequenas ondulações repetidas, ondulações longas e uma perturbação que atue apenas numa roda.
Observe se o primeiro impacto é isolado e se a carroçaria estabiliza depois dele.
Distinga a dureza vertical da oscilação lateral da cabeça e do ruído.
Verifique a consistência da arfagem durante a regeneração e a travagem normais.
Numa estrada segura, avalie se é necessário corrigir a direção depois de uma irregularidade a meio da curva.
Experimente todos os modos de suspensão; um menu mais vasto não garante uma gama de funcionamento mais ampla nem mais bem controlada.

A melhor suspensão para um comprador não é necessariamente a mais macia nem a mais complexa. É o sistema que mantém um comportamento previsível perante as estradas, temperaturas, cargas, pneus e velocidades que o veículo encontrará efetivamente.