Amortecedores da suspensão: força, velocidade e controlo adaptativo

Um amortecedor controla o movimento da suspensão ao opor-se à velocidade relativa entre o conjunto da roda e a carroçaria. Converte trabalho mecânico em calor, permitindo que o pneu e a carroçaria estabilizem depois de uma perturbação, em vez de continuarem a oscilar sobre as molas.

Força, velocidade e energia

Para um amortecedor viscoso linear ideal:

F_d = c × v

F_d é a força do amortecedor em newtons, c é o coeficiente de amortecimento em N·s/m e v é a velocidade relativa entre as extremidades do amortecedor em m/s. A taxa instantânea a que este dissipa energia é aproximadamente:

P = F_d × v

Os amortecedores de automóveis reais são deliberadamente não lineares. A sua força depende da velocidade, da direção, da posição no curso, da temperatura, da pressão, do historial de aceleração, da histerese das válvulas, do atrito e do arejamento. A equação linear explica o princípio, não todo o comportamento de um amortecedor de produção.

O amortecimento tem de equilibrar três resultados concorrentes: aceleração da carroçaria, curso da suspensão e variação da carga sobre o pneu. Aumentar o amortecimento não melhora os três a todas as frequências. Uma regulação que detenha movimentos lentos da carroçaria pode transmitir uma parcela maior de uma solicitação brusca da estrada; uma regulação que isole esse impacto pode permitir mais arfagem, rolamento ou flutuação. A análise de um quarto de veículo introduzida no EV suspension overview mostra por que razão uma única curva passiva constitui sempre um compromisso. SAE: dynamic behavior of passive and active suspension systems

Compressão e extensão

A compressão, ou bump, é o sentido do curso no qual o amortecedor encurta. A extensão, ou rebound, é o sentido oposto. O mesmo acontecimento na estrada utiliza normalmente ambos: a roda entra em compressão ao subir um obstáculo, e a suspensão estende-se quando a estrada desce ou a carroçaria sobe.

A força de compressão ajuda a controlar a rapidez com que a roda e a carroçaria utilizam o respetivo curso de compressão. A força de extensão controla a libertação da energia armazenada na mola. Uma força de extensão insuficiente pode permitir oscilações repetidas da carroçaria; uma força excessiva pode impedir que a roda se estenda com rapidez suficiente sobre uma sucessão de depressões e pode puxar progressivamente a suspensão para baixo dentro do seu curso, um comportamento denominado packing.

A força não é avaliada apenas pela relação entre extensão e compressão. A relação de movimento, a rigidez da mola, a rigidez do pneu, a carga sobre o eixo, o curso disponível e a forma de ambas as curvas de força determinam o que se sente no veículo.

Amortecimento de «baixa velocidade» e de «alta velocidade»

Estes termos referem-se à velocidade da haste do amortecedor, não à velocidade do veículo.

As baixas velocidades da haste estão normalmente associadas ao movimento vertical, à arfagem e ao rolamento da carroçaria, bem como a solicitações graduais da direção.
As velocidades mais elevadas da haste são normalmente geradas por arestas vivas, buracos, juntas do pavimento e movimentos rápidos da roda.

Não existe uma velocidade universal que separe as duas. Um gráfico obtido num dinamómetro de amortecedores tem de ser lido tendo em conta o curso, a frequência e a temperatura do ensaio, bem como a convenção de sinais. Um automóvel que circule devagar pode gerar uma velocidade elevada do amortecedor ao passar por uma aresta viva, enquanto um automóvel que circule depressa numa estrada lisa pode apresentar uma velocidade baixa do amortecedor.

O projeto das válvulas define a curva força–velocidade:

Uma região linear aumenta a força aproximadamente em proporção à velocidade.
Uma curva digressiva aumenta rapidamente a força a baixa velocidade e reduz depois a taxa de aumento quando uma válvula abre. Isto pode combinar controlo da carroçaria com alívio dos impactos.
Uma curva progressiva aumenta a força de forma mais acentuada à medida que a velocidade sobe.
Um circuito de blow-off, ou de alívio, limita o aumento da força acima de um limiar definido no projeto.

Estas palavras descrevem a forma da curva, não uma qualidade intrínseca. A força de transição, a suavidade, a histerese e a repetibilidade são pelo menos tão importantes como a categoria.

No interior de um amortecedor hidráulico

Um pistão desloca-se através do óleo e força-o a passar por canais de purga calibrados, conjuntos de lâminas, orifícios e válvulas. A restrição desse escoamento cria uma diferença de pressão entre os lados do pistão e, por conseguinte, uma força sobre a haste. A pressão do gás ajuda a acomodar o volume da haste que entra no amortecedor e a suprimir a cavitação ou a formação de espuma.

Num amortecedor monotubo, o pistão de trabalho e o óleo partilham um cilindro, existindo um pistão separador entre o óleo e uma câmara de gás pressurizado. O grande pistão de trabalho e o percurso direto de dissipação térmica podem proporcionar uma capacidade de força e um controlo térmico úteis, mas a força do gás, o atrito dos vedantes, a proteção contra pedras e o espaço de instalação continuam a exigir um projeto cuidadoso.

Num amortecedor bitubo, um tubo de trabalho interior é rodeado por um tubo-reservatório. O óleo deslocado pela haste passa por uma válvula de base para o reservatório. Esta configuração pode proporcionar uma integração compacta, uma pressão de gás inferior e características úteis de conforto de marcha. A orientação, o arejamento, a área do pistão e a dissipação de calor diferem dos de uma conceção monotubo. Nenhuma das construções é automaticamente confortável ou desportiva; a Bilstein produz ambas e documenta os percursos distintos do óleo e do gás. Bilstein: monotube and twin-tube damper construction

Os reservatórios remotos acrescentam volume de fluido e de gás e podem melhorar a capacidade térmica ou a integração física. Os amortecedores sensíveis à posição e os amortecedores com bypass utilizam percursos de escoamento adicionais que abrem ou fecham ao longo do curso, permitindo forças diferentes perto do centro e dos extremos do curso.

Passivo não significa simples

Um amortecedor passivo não recebe uma solicitação de controlo externa comandada, mas pode, ainda assim, alterar mecanicamente o seu comportamento.

Os sistemas seletivos em frequência acrescentam um percurso hidráulico interno que responde de forma diferente a movimentos prolongados de baixa frequência e a solicitações mais curtas de alta frequência. O Frequency Selective Damping da KONI é um exemplo documentado: utiliza controlo hidráulico passivo para proporcionar respostas diferentes ao movimento da carroçaria e às perturbações da estrada, sem sensores nem uma válvula eletrónica. KONI: passive Frequency Selective Damping

Os amortecedores Öhlins Dual Flow Valve utilizam percursos de escoamento adicionais para compressão e extensão, a fim de afinar a gama intermédia de velocidades da haste. A arquitetura das válvulas permanece passiva, embora a regulação mecânica possa ser ajustável. Öhlins: Dual Flow Valve damper technology

O Performance Pack do Polestar 2 ilustra a distinção entre ajustável e adaptativo. Os seus amortecedores Öhlins dispõem de regulações manuais por cliques em cada canto. Depois de regulados, não mudam por si próprios em tempo real. A Polestar especifica regulações dianteiras e traseiras correspondentes para utilização em pista, nominal e de conforto, e o procedimento de acesso mostra que a regulação é uma tarefa do proprietário, não um modo selecionável no painel. Polestar 2 manual: adjustable Öhlins damper settings

A regulação manual deve seguir o procedimento do fabricante do veículo. Regulações diferentes entre o lado esquerdo e o direito, forçar um regulador para além do seu batente ou alterar o amortecimento sem considerar os pneus e as molas podem criar um comportamento inconsistente.

Amortecimento controlado eletronicamente

Um amortecedor semiativo altera a sua característica de força em resposta a um controlador mas, segundo a definição habitual, não comanda uma força arbitrária independente do movimento da suspensão. Pode opor-se ao movimento relativo com maior ou menor intensidade; não pode comportar-se como um macaco motorizado sempre que o controlador o pretenda.

Sistemas hidráulicos como o ZF Continuous Damping Control utilizam válvulas proporcionais para variar o escoamento em cada roda a partir de dados dos sensores e do estado do veículo. As conceções com duas válvulas podem controlar a compressão e a extensão através de válvulas externas separadas, aumentando a liberdade de afinação disponível. ZF: Continuous Damping Control Porsche: Taycan two-valve adaptive dampers

Os amortecedores magnetorreológicos utilizam um fluido que contém partículas sensíveis ao magnetismo. Um campo magnético controlado altera a resistência ao escoamento através da válvula, variando a força do amortecedor sem uma válvula proporcional móvel convencional. O dispositivo continua a ser semiativo: a velocidade do curso e o domínio de forças alcançável limitam o que consegue produzir. BWI Group: magnetorheological semi-active damping

A frequência de amostragem dos sensores ou o tempo de resposta das válvulas, por si só, não determinam a qualidade do conforto de marcha. O controlador tem de estimar o movimento da carroçaria e das rodas, escolher uma força realizável, comandar o amortecedor e manter a estabilidade perante atrasos, ruído, temperatura e aderência em rápida mudança. O active suspension aborda essa hierarquia de controlo e os sistemas capazes de acrescentar energia mecânica.

Atrito, temperatura e perda de eficácia

A força ideal do amortecedor é hidráulica, mas os vedantes, os apoios e as cargas laterais acrescentam atrito. Uma força de arranque elevada pode fazer com que a suspensão resista ao movimento perante pequenas solicitações, mesmo que a curva de dinamómetro pareça adequada depois de a haste começar a mover-se. As cargas de flexão das colunas, os apoios superiores e os casquilhos podem aumentar este efeito.

Cada joule dissipado transforma-se em calor. A subida da temperatura do óleo altera a viscosidade, a pressão do gás, o comportamento dos vedantes e a resposta das válvulas. O arejamento ou a cavitação podem reduzir a força e a consistência. A arquitetura monotubo, o volume de fluido, os reservatórios, o fluxo de ar de arrefecimento e as válvulas com compensação de temperatura são ferramentas para controlar essas alterações, não garantias contra elas.

Por conseguinte, um amortecedor de um automóvel de estrada tem de apresentar um comportamento repetível desde o arranque a frio até à utilização prolongada em estradas degradadas ou a alta velocidade. A força máxima num único ponto do dinamómetro diz pouco sobre a estabilidade térmica.

Calibração específica dos veículos elétricos

Um veículo elétrico pode exigir mais dos amortecedores sem necessitar de um amortecedor fundamentalmente diferente:

Alterações da massa e da sua distribuição modificam a força e a energia envolvidas no movimento vertical, na arfagem e no rolamento.
Uma regeneração forte pode criar solicitações de arfagem frequentes e repetíveis.
Conjuntos de rodas e pneus de grandes dimensões podem exigir maior controlo do movimento não suspenso.
Um grupo motopropulsor silencioso torna mais percetíveis o ruído dos vedantes, o sopro das válvulas, as pancadas no fim do curso de extensão e o ruído dos impactos.
A proteção da bateria e os objetivos aerodinâmicos podem restringir a altura de marcha ou o curso útil.

Acrescentar amortecimento não é uma resposta completa à massa. Se a mola, o batente de compressão, o pneu e o curso estiverem incorretos, uma curva mais rígida pode apenas transformar movimento descontrolado em dureza.

O que compradores e proprietários devem verificar

Quando uma especificação indica «suspensão adaptativa», determine exatamente o que muda:

Os amortecedores variam de forma contínua ou alternam entre alguns estados?
A compressão e a extensão são controladas separadamente?
A opção também substitui as molas por molas pneumáticas?
A regulação é automática, está associada ao modo de condução, é manual no amortecedor ou combina estas formas?
Um modo de conforto isola solicitações bruscas sem permitir movimentos repetidos da carroçaria?
Um modo desportivo acrescenta controlo útil ou limita-se a transmitir mais textura da estrada?
O veículo mantém um comportamento composto com a maior opção de rodas e uma carga normal de passageiros?

Os amortecedores envelhecidos podem apresentar fugas, perder pressão de gás, sofrer arejamento, gripar nos apoios ou desgastar-se internamente. Os sintomas podem incluir oscilações repetidas, saltos da roda, desgaste irregular dos pneus, pancadas, resposta instável a ventos laterais ou à travagem e contaminação por óleo no corpo do amortecedor. Estes sintomas não são exclusivos dos amortecedores, pelo que as molas, os pneus, as articulações, os casquilhos e o alinhamento devem ser inspecionados como um sistema.