Suspensão ativa: do amortecimento adaptativo ao controlo integral da carroçaria

«Suspensão ativa» é uma designação aplicada a sistemas com capacidades de atuação muito diferentes: alguns variam a resistência dos amortecedores, alteram lentamente a altura de marcha ou aplicam um binário antirrolamento, enquanto um grupo mais pequeno consegue gerar uma força controlada em cada canto. A questão relevante não é saber se existe eletrónica, mas qual é a força que o sistema consegue comandar, em que direção e ao longo de que curso e largura de banda.

Uma taxonomia precisa

Suspensão passiva

Um sistema passivo tem características mecânicas fixas durante a condução. As molas e os amortecedores podem ser não lineares, seletivos em frequência ou sensíveis à posição, mas nenhum controlador os comanda em tempo real.

A regulação manual dos amortecedores continua a ser passiva depois de se escolher a definição. Um modo «sport» no painel que altere apenas a direção e o mapeamento do acelerador não torna a suspensão adaptativa.

Autonivelação e controlo da altura de marcha

Os sistemas pneumáticos ou hidráulicos podem acrescentar ou remover fluido para recuperar uma altura estática pretendida, elevar a carroçaria para aumentar a distância ao solo ou baixá-la a alta velocidade. Trata-se de uma função ativa de altura, mas é frequentemente demasiado lenta para controlar cada irregularidade. Não deve ser confundida com uma suspensão vertical totalmente ativa.

Suspensão semiativa

Um sistema semiativo altera uma propriedade dissipativa, mais frequentemente o amortecimento. Na definição ideal, pode variar a força que se opõe ao movimento relativo da suspensão, mas não consegue comandar uma força arbitrária que acrescente energia mecânica. Válvulas hidráulicas proporcionais e um fluido magnetorreológico são duas formas de alterar esse domínio de forças.

O controlo semiativo pode tornar a suspensão macia para proporcionar isolamento num instante e acrescentar amortecimento para controlar a carroçaria no instante seguinte. Continua limitado pela velocidade atual da haste: quando não existe velocidade relativa entre a carroçaria e a roda, um amortecedor ideal não tem uma força de amortecimento útil que possa variar. suspension dampers

Controlo ativo do rolamento

Um sistema antirrolamento ativo aplica um binário controlado entre os lados esquerdo e direito de um eixo. Atuadores eletromecânicos, circuitos hidráulicos ou barras estabilizadoras divididas podem contrariar o rolamento da carroçaria e, simultaneamente, reduzir o acoplamento transversal passivo perante uma irregularidade que atue numa só roda.

Trata-se de um controlo verdadeiramente ativo no grau de liberdade de rolamento, mas não controla necessariamente o movimento vertical nem a arfagem e pode não gerar uma força vertical independente nas quatro rodas. Chamar-lhe «suspensão totalmente ativa» sobrestimaria a sua capacidade de atuação.

Suspensão totalmente ativa

Um sistema totalmente ativo utiliza atuadores com alimentação externa de energia para criar uma força controlada entre a carroçaria e a roda em cada canto. Dependendo do equipamento, pode contrariar ou produzir deliberadamente movimento vertical, arfagem e rolamento e pode mover a suspensão mesmo quando não existiu movimento relativo anterior.

As molas são normalmente mantidas para suportarem de forma eficiente a carga estática e proporcionarem uma base mecânica. O sistema ativo fornece então a força dinâmica. O sMOTION da ZF, por exemplo, acrescenta uma bomba hidráulica acionada eletricamente a um amortecedor de duas válvulas, para que a unidade consiga mover a suspensão em vez de se limitar a resistir ao movimento. ZF: sMOTION active chassis dampers

Controlo preditivo

O controlo preditivo descreve informação, não o tipo de atuador. Uma câmara, um lidar, um mapa armazenado ou a resposta medida de uma roda dianteira pode informar o controlador acerca de uma perturbação antes de uma roda traseira a alcançar. Esse sinal pode preparar um amortecedor adaptativo, uma válvula pneumática ou um atuador ativo. Um sensor preditivo, por si só, não cria força na suspensão.

O problema de controlo

O controlador estima os estados da carroçaria e das rodas a partir de acelerómetros, sensores de altura, sensores da velocidade das rodas, ângulo da direção, solicitações de travagem e tração, velocidade de guinada e outros dados do veículo. Em seguida, escolhe forças-alvo sujeitas a limites físicos.

Os objetivos habituais são contraditórios:

reduzir a aceleração da carroçaria para melhorar o conforto;
reduzir o movimento vertical, a arfagem e o rolamento para controlar a postura;
manter o movimento da suspensão afastado dos limites de compressão e extensão;
limitar a variação da carga sobre os pneus para preservar a aderência;
manter a altura de marcha e os objetivos aerodinâmicos;
minimizar a energia, o ruído e o calor dos atuadores.

Um controlador não consegue minimizar todos os objetivos a todas as frequências. As estratégias «skyhook» amortecem conceptualmente a carroçaria em relação a uma referência inercial; as estratégias «groundhook» dão prioridade ao movimento não suspenso e à carga sobre os pneus. O controlo de produção combina objetivos e altera a respetiva ponderação em função da velocidade, do modo de condução, da carga, da aderência e da força de atuação disponível.

O software não consegue revogar os limites mecânicos estabelecidos no suspension construction and geometry e no suspension springs. O pneu continua a ter rigidez e aderência finitas, as ligações continuam a definir a trajetória da roda e o atuador continua a ter força, velocidade e curso finitos.

O que a força ativa pode alterar

Numa curva, o rolamento para o exterior é causado pela força de aceleração lateral que atua no centro de gravidade da carroçaria relativamente aos seus percursos de força de rolamento. Um sistema ativo pode acrescentar um momento de rolamento contrário ou até inclinar a carroçaria para o interior. Durante a travagem e a aceleração, pode acrescentar forças de suporte da arfagem. Ao passar sobre uma irregularidade, pode mover a roda relativamente à carroçaria ou mover a carroçaria para gerir a aceleração dos ocupantes.

O mesmo atuador também pode redistribuir as cargas verticais nas rodas. Isso pode ajudar a manter um pneu carregado dentro de uma região de funcionamento útil, mas não consegue criar aderência independentemente da estrada, do pneu e da carga normal total. Manter agressivamente a carroçaria nivelada não é automaticamente a regulação que proporciona o melhor conforto de marcha ou o melhor comportamento dinâmico transitório.

O controlo totalmente ativo também torna possíveis movimentos invulgares da carroçaria. A elevação para entrada, a inclinação deliberada em curva, a «dança» e os saltos são comandos diferentes aplicados à mesma capacidade geral de gerar força vertical. Uma demonstração espetacular confirma a capacidade de atuação; não comprova de forma independente o conforto de marcha, a durabilidade, o consumo de energia nem o comportamento em situações de emergência.

Abordagens atuais de produção

Porsche Active Ride e suspensão ativa da Audi

O chassis de série do atual Porsche Taycan utiliza molas pneumáticas de duas câmaras e amortecedores de duas válvulas com controlo contínuo. O Porsche Active Ride acrescenta uma bomba hidráulica acionada eletricamente a cada amortecedor ativo, gerando caudal volumétrico e força específica em cada roda conforme necessário. A Porsche afirma que o sistema controla a arfagem e o rolamento e pode inclinar a carroçaria para reduzir a aceleração sentida pelos ocupantes. Porsche: Taycan Active Ride

A ZF identifica a sua tecnologia sMOTION de amortecedor e válvulas como a base desta função ativa. Válvulas externas separadas regulam a compressão e a extensão, enquanto a bomba move ativamente a haste do pistão. Esta distinção de equipamento é mais informativa do que a palavra «adaptativo», comum a ambos. ZF: sMOTION active chassis dampers

A Audi aplica o conceito relacionado à família e-tron GT. A suspensão pneumática de série, com duas câmaras e duas válvulas, e a suspensão ativa opcional são configurações separadas; a Audi descreve a distribuição da carga pelas rodas, a compensação da arfagem e do rolamento e uma elevação estacionária de 55–77 mm para facilitar a entrada, dependendo da altura inicial. Audi: e-tron GT active suspension

Mercedes-Benz E-ACTIVE BODY CONTROL

O Mercedes-Benz E-ACTIVE BODY CONTROL combina uma mola pneumática que suporta a carga básica com atuação hidráulica de 48 volts em cada canto. A Mercedes afirma que regula individualmente as forças das molas e dos amortecedores para contrariar o movimento vertical, a arfagem e o rolamento. O seu ROAD SURFACE SCAN utiliza uma câmara estéreo para preparar as colunas de suspensão para ondulações detetadas na estrada, e um modo CURVE inclina a carroçaria para o interior. Mercedes-Benz: E-ACTIVE BODY CONTROL and ROAD SURFACE SCAN

Esta arquitetura mostra por que razão a antecipação e a atividade total são atributos separados. A câmara melhora a antecipação quando consegue identificar a solicitação da estrada; o atuador hidráulico fornece a força. A suspensão pode continuar a reagir com base nos sensores de movimento a bordo quando a informação preditiva é incompleta.

NIO SkyRide

A NIO descreve o SkyRide do ET9 como uma suspensão hidráulica totalmente ativa e integrada. A empresa afirma que o sistema consegue responder a informação em 1 ms e regular a rigidez, o amortecimento e a altura. Estas são afirmações do fabricante sobre o sistema de produção, não medições independentes de todas as condições de funcionamento. NIO: ET9 SkyRide full active suspension

A demonstração da torre de copos é útil para visualizar o controlo de baixa frequência da carroçaria ao longo de uma sequência preparada. Não revela a variação da carga sobre os pneus, a potência dos atuadores, o comportamento em superfícies degradadas aleatórias, os limites térmicos nem a durabilidade a longo prazo. Estes aspetos exigem ensaios instrumentados.

BYD DiSus e o Yangwang U9

A BYD utiliza DiSus como designação geral para vários níveis de controlo da carroçaria: DiSus-C para controlo do amortecimento, DiSus-A para controlo pneumático da carroçaria e DiSus-P para controlo hidráulico da carroçaria. É um exemplo claro de uma designação de marca que abrange equipamentos semiativos e mais ativos. BYD: DiSus body-control system taxonomy

As demonstrações do DiSus-X do Yangwang U9 mostram que o veículo consegue comandar movimentos amplos e rápidos da carroçaria e da suspensão, incluindo um salto. O agachamento, o lançamento e a aterragem tornam visível a presença de atuação vertical com alimentação externa de energia.

O salto não prova que os pneus se mantenham mais bem ligados a uma estrada comum e não deve ser descrito como deteção de obstáculos, salvo se uma demonstração específica documentar a deteção e a temporização autónoma. O seu significado técnico defensável é mais restrito: o sistema dispõe de força controlável e curso suficientes para acrescentar uma quantidade substancial de energia vertical ao veículo.

A antecipação é útil, mas condicional

O controlo reativo começa depois de os sensores detetarem o movimento da roda ou da carroçaria. A antecipação pode reduzir esse atraso, mas a perceção cria novos limites:

Uma câmara tem de distinguir a forma da estrada de marcações, sombras, água acumulada, neve e superfícies de baixo contraste.
O controlador tem de transformar uma característica medida na trajetória de cada pneu.
A velocidade do veículo, a direção e o movimento da carroçaria determinam quando a roda chegará ao ponto.
O atuador necessita de curso, força e resposta suficientes para executar o comando.
Uma perturbação fora do campo dos sensores, como um buraco recente oculto por outro veículo, continua a exigir controlo reativo.

A antecipação baseada na distância entre eixos evita alguns problemas de visão ao utilizar a resposta de uma roda dianteira para preparar o eixo traseiro, mas não pode ajudar o primeiro eixo. As funções de elevação em locais memorizados são úteis para rampas conhecidas; constituem automatização da altura de marcha, não antecipação da estrada com grande largura de banda.

Potência, calor e comportamento em segurança perante falhas

A força ativa não é gratuita. A energia elétrica fornecida transforma-se em trabalho hidráulico, trabalho mecânico e calor. Bombas, motores, acumuladores, válvulas e refrigeração acrescentam massa e ocupam espaço. O funcionamento contínuo com forças elevadas pode ser limitado pela potência elétrica, pela temperatura do fluido, pela velocidade do atuador ou pelo ciclo de funcionamento.

O sistema de alta tensão ou de 48 volts de um veículo elétrico pode fornecer uma potência substancial ao chassis, mas qualquer penalização na autonomia ou benefício aerodinâmico é específico do veículo e do percurso. Baixar a carroçaria a alta velocidade pode reduzir o arrasto; o controlo ativo da carroçaria consome energia. Nenhum dos efeitos deve ser generalizado sem dados medidos.

A segurança também depende do estado degradado. Um sensor, uma bomba, uma válvula, um barramento de comunicação ou uma fonte de alimentação pode falhar. A mola e o controlo mecânico das rodas têm de continuar a suportar e a posicionar o veículo, enquanto o controlador deteta avarias e transita para um modo definido. Por conseguinte, um chassis ativo deve ser avaliado pelos seus avisos, pelo comportamento que permite prosseguir a marcha em modo degradado, pelos procedimentos de manutenção e pelo custo de substituição, além da sua melhor demonstração.

O que os compradores devem verificar

Pergunte o que a opção contém efetivamente:

amortecedores fixos, seletivos em frequência, reguláveis manualmente ou variáveis eletronicamente;
molas de aço ou pneumáticas, e se o sistema pneumático altera a altura, o volume ou ambos;
apenas controlo ativo antirrolamento ou força independente em cada canto;
deteção reativa, antecipação por câmara, antecipação pela distância entre eixos ou elevação em locais memorizados;
modos selecionáveis e se cada um altera a mola, o amortecedor ou o atuador, ou apenas a resposta da direção e do grupo motopropulsor;
restrições em função da dimensão das rodas, do sistema de tração, da temperatura, do modo de reboque ou do estado da bateria;
cobertura da garantia e custo de um amortecedor, de uma mola pneumática, de um compressor, de uma bomba e da calibração.

Num ensaio de condução, não se limite à ausência de rolamento nas curvas. Verifique o isolamento de arestas vivas, o controlo da carroçaria em ondulações longas, as solicitações numa só roda, a arfagem em travagem, as irregularidades repetidas, o ruído e a transição entre modos. Um bom sistema ativo alarga a gama de comportamentos utilizáveis sem deixar de ser previsível. A complexidade sem uma base mecânica bem desenvolvida e uma boa calibração do controlo não consegue esse resultado.