Arquiteturas de suspensão, geometria e controlo das rodas

Uma arquitetura de suspensão determina como a roda é condicionada quando se desloca, vira e transmite forças. Designações como MacPherson, triângulos sobrepostos e multilink descrevem disposições de braços, ligações e articulações; por si só, não permitem prever todo o comportamento em conforto de marcha e dinâmica introduzido no EV suspension overview.

Cinemática e flexibilidade

Uma manga de eixo pode deslocar-se e rodar em três dimensões. Os elementos de ligação da suspensão restringem a maioria desses graus de liberdade, ao mesmo tempo que permitem uma trajetória projetada durante a compressão e a extensão. A cinemática descreve esse movimento geométrico ideal. A elastocinemática, ou cinemática de flexibilidade, descreve o movimento adicional causado pela deformação de casquilhos, articulações, ligações, subchassis e carroçaria sob as forças dos pneus.

Ambas são importantes. Uma arquitetura pode apresentar um camber desejável num banco de geometria e, ainda assim, adquirir uma alteração indesejada da convergência durante a travagem porque um casquilho se deforma. Inversamente, uma flexibilidade orientada com cuidado pode absorver um impacto ou acrescentar uma alteração estabilizadora da convergência sob carga lateral. Por isso, o desenvolvimento moderno combina simulação multicorpo, 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:

Camber: inclinação da roda vista de frente. A sua variação ao longo do curso da roda e do rolamento da carroçaria afeta a forma como o pneu assenta na estrada.
Convergência: indica se as rodas, vistas de cima, apontam para dentro ou para fora. A alteração indesejada da convergência com o curso da roda é habitualmente denominada bump steer.
Cáster, inclinação do eixo de direção e avanço: geometria da direção vista de frente e de lado que influencia o comportamento autocentrante, o esforço na direção e a sensibilidade a perturbações.
Desvio transversal do eixo de direção no solo (scrub radius): distância lateral, ao nível da estrada, entre a interseção do eixo de direção e o centro da área de contacto do pneu. Afeta as forças na direção durante a travagem e quando a aderência é desigual.
Centro de rolamento: representação geométrica utilizada para analisar como a força lateral se divide entre a força transmitida pelos elementos da suspensão e o rolamento elástico da carroçaria. Não é uma articulação física e desloca-se com a posição da suspensão.
Geometria anti-mergulho e anti-afundamento: orientações dos elementos de ligação que encaminham uma parte da força longitudinal do pneu através dos componentes da suspensão para contrariar a arfagem da carroçaria. Valores excessivos podem transmitir mais perturbações à carroçaria.
Relação de movimento: relação entre o curso da roda e o curso da mola ou do amortecedor. Altera a rigidez na roda, a velocidade do amortecedor e as forças exigidas aos componentes.

Não existe um único valor geométrico que seja «o melhor». Os objetivos dependem do comportamento dos pneus, do centro de gravidade, da via, da distância entre eixos, da configuração de tração, da repartição da travagem, da direção, da aerodinâmica e da utilização prevista.

Arquiteturas independentes, acopladas e dependentes

Com uma suspensão independente, uma roda pode deslocar-se verticalmente sem que um eixo rígido obrigue a roda oposta a executar o mesmo movimento. Os dois lados continuam, porém, acoplados através da carroçaria, do subchassis, da barra estabilizadora e, nalguns sistemas, de circuitos hidráulicos ou pneumáticos.

Um eixo traseiro de travessa deformável é habitualmente designado semi-independente. Os respetivos braços longitudinais podem deslocar-se em amplitudes diferentes, mas a travessa torce e acopla-os.

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

Estas categorias descrevem o acoplamento, não a qualidade. Um automóvel compacto com uma travessa deformável bem desenvolvida pode ser mais estável do que um eixo traseiro independente mal calibrado, enquanto um eixo rígido pode ser a escolha racional para capacidade de carga, durabilidade e articulação.

MacPherson e colunas com ligações inferiores separadas

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

Os seus pontos fortes são o número reduzido de componentes, a boa utilização do espaço transversal e o espaço entre as torres de suspensão para estruturas de colisão, componentes de tração ou um compartimento de bagagem dianteiro. Entre as suas limitações contam-se a elevada carga estrutural transmitida pela coluna e pelo apoio superior, a sensibilidade ao atrito e à rigidez do apoio e um controlo independente do camber e da geometria do eixo de direção inferior ao das arquiteturas com ligações superiores separadas.

Os eixos de coluna com «articulação dupla», «dois eixos» ou «pivô duplo» dividem a função de controlo inferior por duas ligações e criam um ponto de direção inferior virtual. Continuam a pertencer à família das colunas, mas o pivô virtual dá aos engenheiros maior liberdade para controlar o desvio transversal do eixo de direção no solo (scrub radius), as perturbações da direção e os percursos das forças. A descrição da própria BMW para o seu eixo de coluna de mola com articulação dupla mostra por que razão é enganador reduzir todas as arquiteturas de coluna a um único triângulo inferior. BMW: double-joint spring-strut and five-link axle construction

Triângulos sobrepostos

Uma suspensão de triângulos sobrepostos posiciona a roda através de braços superiores e inferiores. Esses braços não têm de apresentar literalmente a forma de um A; cada um pode ser dividido em ligações separadas, e a mola e o amortecedor podem atuar diretamente ou através de um balanceiro ou tirante de compressão.

A geometria separada dos elementos superiores e inferiores dá aos engenheiros uma liberdade considerável para definir o ganho de camber, o movimento do centro de rolamento, a posição do eixo de direção e as características anti-mergulho ou anti-afundamento. Pode também proporcionar uma estrutura rígida de controlo da roda, mantendo o amortecedor separado das cargas da direção.

O custo mede-se em espaço e número de componentes. Um braço superior disputa espaço com o volume ocupado pelo pneu, a estrutura da carroçaria e o compartimento de bagagem dianteiro; braços curtos podem provocar alterações geométricas acentuadas, enquanto braços longos necessitam de espaço. Uma geometria de triângulos mal escolhida não é corrigida pela designação.

Multilink

«Multilink» descreve uma família, não um único mecanismo normalizado. Ligações separadas controlam diferentes combinações de movimento longitudinal, lateral e rotacional. O resultado é determinado pelas suas posições, pelos tipos de articulação e pelas respetivas rigidezes.

Um sistema de controlo da roda com cinco ligações utiliza frequentemente cinco elementos independentes para restringir cinco dos seis graus de liberdade da manga de eixo, deixando apenas o movimento de suspensão pretendido. Os projetos reais são menos ordenados do que esta descrição de manual: um triângulo pode contar como um braço ou como duas ligações, uma barra de convergência pode orientar ativamente a roda e os fabricantes utilizam convenções de nomenclatura diferentes.

O valor de uma arquitetura multilink reside na liberdade de afinação. Os engenheiros podem separar o controlo da convergência do controlo do camber, encaminhar as forças de travagem e de tração através de casquilhos diferentes e posicionar a mola e o amortecedor de modo compatível com o espaço destinado à carga ou ao motor. Os custos são mais articulações, uma gestão de tolerâncias mais apertada, maior complexidade de alinhamento e mais oportunidades para a flexibilidade ou o desgaste alterarem o comportamento.

O atual Porsche Taycan demonstra a diferença entre uma categoria e a sua execução: a Porsche especifica um controlo das rodas dianteiras por triângulos sobrepostos e um eixo traseiro multilink em alumínio forjado, combinando depois essas arquiteturas com molas pneumáticas e amortecedores controlados. A construção não informa o leitor sobre a tecnologia de molas ou amortecedores instalada. Porsche: Taycan front and rear suspension construction

Braços longitudinais e travessas deformáveis

Um braço longitudinal roda sobretudo em torno de um eixo transversal situado à frente da roda. É compacto e estruturalmente direto para cargas longitudinais, mas uma versão simples oferece um controlo independente limitado do camber e da convergência. Os braços semiarrastados inclinam o eixo de rotação e acoplam deliberadamente o curso da roda às alterações de camber e convergência.

Uma travessa deformável liga dois braços longitudinais através de uma travessa concebida para torcer. Esse elemento posiciona as rodas e fornece parte da rigidez ao rolamento do eixo, o que pode eliminar uma barra estabilizadora separada.

Esta arquitetura é compacta, utiliza poucos componentes, é leve e económica e pode libertar espaço valioso sob o piso e no compartimento de bagagem. Os movimentos das rodas e a flexibilidade estão mais fortemente acoplados do que num eixo totalmente independente, e uma carga elevada sobre o eixo traseiro ou objetivos exigentes de conforto e comportamento dinâmico podem dificultar a otimização simultânea da travessa, dos casquilhos e das fixações à carroçaria. Ainda assim, estudos de engenharia demonstram que a geometria da travessa e a orientação dos casquilhos oferecem uma margem de afinação significativa; «travessa de torção» não constitui um veredicto completo sobre o chassis. SAE: rear twist-beam geometry and bush optimization

Eixos rígidos e posicionamento por molas de lâminas

Um eixo rígido mantém fixa em relação ao eixo a ligação de camber entre as duas rodas e proporciona percursos de carga robustos e simples. Continua a ser relevante para furgões, pickups e veículos todo-o-terreno, nos quais a capacidade de carga, o reboque, a articulação e a durabilidade podem pesar mais do que as desvantagens da massa não suspensa e do isolamento.

As molas de lâminas podem simultaneamente suportar a carroçaria e posicionar longitudinalmente um eixo, reduzindo o número de ligações. Eixos dependentes mais sofisticados utilizam braços de controlo separados, uma barra Panhard ou um paralelogramo de Watt para posicionar o eixo, enquanto molas helicoidais ou pneumáticas suportam a carga.

Como o diferencial e uma grande parte da transmissão se movem com um eixo motriz rígido, a massa não suspensa pode ser elevada. Um eixo De Dion mantém o diferencial do lado da carroçaria, reduzindo essa penalização ao mesmo tempo que conserva o acoplamento lateral entre as rodas.

Geometria não é calibração

Dois veículos elétricos com a mesma arquitetura anunciada podem comportar-se de forma diferente devido a:

relações de movimento das molas e dos amortecedores;
altura de marcha estática e curso útil de compressão e extensão;
rigidez, direcionalidade e atrito dos casquilhos;
rigidez do subchassis e das fixações à carroçaria;
rigidez da barra estabilizadora e flexibilidade das suas fixações;
offset das rodas, construção e pressão dos pneus e massa não suspensa;
objetivos e tolerâncias de alinhamento;
software da direção, da travagem e do chassis ativo.

É por essa razão que suspension springs, suspension dampers e active suspension constituem partes separadas desta série.

O que compradores e proprietários devem verificar

Considere a designação da arquitetura apenas como ponto de partida. Procure saber qual é exatamente a construção dianteira e traseira, se a direção traseira ou o controlo ativo da convergência a modifica e se os pacotes de suspensão opcionais substituem as molas, os amortecedores ou ambos.

O alinhamento das rodas deve ser avaliado à altura de marcha e com a carga especificadas. Rebaixar, elevar ou montar rodas com um offset diferente pode alterar o camber, a convergência, o bump steer, a posição do centro de rolamento, os ângulos dos veios de transmissão e o curso restante. As ligações com casquilhos de borracha podem também ter de ser apertadas na posição de projeto especificada; apertá-las com a suspensão totalmente estendida pode pré-carregar os casquilhos à altura de marcha normal.

Na estrada, avalie o resultado: precisão da direção sobre irregularidades, estabilidade em travagem, oscilação lateral da cabeça perante solicitações alternadas, ruído dos pneus, isolamento dos impactos e forma como o automóvel estabiliza. A arquitetura cria possibilidades. A geometria, a flexibilidade e a calibração determinam quanto desse potencial chega ao condutor.