Molas da suspensão: rigidez na roda, sistemas pneumáticos e curso
As molas suportam o veículo e armazenam energia à medida que as rodas se movem relativamente à carroçaria. O seu efeito ao nível do pneu depende da rigidez da mola, da geometria de instalação, da rigidez do pneu, dos dispositivos antirrolamento, dos batentes auxiliares e do curso disponível.
Rigidez da mola e rigidez na roda
Para uma mola linear ideal:
F = k × x
F é a força em newtons, k é a rigidez da mola em N/m e x é a deflexão em metros. A energia elástica armazenada para uma deflexão x é:
E = ½kx²
Uma suspensão real é normalmente descrita ao nível da roda. Se o deslocamento da mola corresponder a uma fração r do deslocamento da roda, uma aproximação simples, sem atrito, dá:
kᵥ ≈ kₛ × r²
Aqui, kᵥ é a rigidez na roda e kₛ é a rigidez elástica do componente. O quadrado é importante: deslocar uma mola para o interior ou alterar a geometria da sua alavanca pode modificar substancialmente a rigidez na roda sem alterar a própria mola. A relação de movimento também pode variar ao longo do curso, acrescentando progressividade geométrica.
A rigidez vertical do pneu atua em série com a suspensão, enquanto os casquilhos, os apoios, as barras estabilizadoras e os batentes de compressão acrescentam outros percursos elásticos. É por essa razão que um valor de rigidez da mola, por si só, não permite prever o conforto de marcha descrito no EV suspension overview.
Molas helicoidais
A maioria dos veículos elétricos de passageiros com suspensão em aço utiliza molas helicoidais. Numa mola simplificada, de espiras cerradas e arame de secção circular:
k ≈ Gd⁴ / (8nD³)
G é o módulo de corte do material, d é o diâmetro do arame, n é o número de espiras ativas e D é o diâmetro médio da espira. A forma das extremidades, o passo, a correção de tensões, o material, o processo de fabrico e a integração física modificam o projeto real, mas a fórmula revela por que razão pequenas alterações geométricas podem produzir grandes variações de rigidez.
Uma mola com diâmetro e passo constantes pode ser aproximadamente linear ao longo da sua gama de trabalho. A variação do diâmetro do arame, do diâmetro das espiras ou do passo pode criar uma rigidez crescente à medida que as espiras ficam progressivamente inativas. É necessária validação por elementos finitos e ensaios físicos, porque as restrições de tensão, contacto e fabrico tornam o projeto de uma mola helicoidal não linear mais complexo do que a designação «mola progressiva» sugere. SAE: nonlinear design of passenger-vehicle coil springs
As molas helicoidais são compactas, duráveis e não necessitam de compressor, reservatório nem sistema de controlo pneumático. Contudo, a sua rigidez estática e o seu comprimento livre são fixos. Um veículo concebido para uma grande variação da carga útil tem de aceitar uma maior alteração da altura de marcha ou utilizar assistência de autonivelação.
Molas pneumáticas
Uma mola pneumática suporta a carga através da pressão que atua sobre uma área efetiva:
F ≈ (pᵢ - pₐ) × A_eff
A pressão interna pᵢ, a pressão ambiente pₐ, a área efetiva A_eff, o volume confinado, a geometria do fole e a temperatura do gás mudam todos à medida que a suspensão se move. Por conseguinte, a força da mola pneumática é não linear e dinâmica. A transferência de calor e a rapidez da compressão influenciam a sua rigidez efetiva.
Um sistema completo de suspensão pneumática para um automóvel de passageiros contém mais do que foles. Pode incluir compressor, secador, reservatório, bloco de válvulas, sensores de pressão e altura, tubagens, filtros, controlo eletrónico e um amortecedor separado ou integrado. A modelação e os ensaios têm de incluir as tubagens pneumáticas, as válvulas e o compressor quando o tempo de nivelação e a resposta da pressão são relevantes. SAE: passenger-car air-suspension system modelling and validation
A suspensão pneumática permite três funções que não devem ser confundidas:
- A autonivelação acrescenta ou remove ar para recuperar uma altura de marcha pretendida depois de a carga estática mudar.
- A altura selecionável eleva o veículo para aumentar a distância ao solo ou baixa-o para facilitar o acesso, aumentar a estabilidade ou melhorar a aerodinâmica.
- A característica elástica variável altera a pressão, o volume efetivo ou a ligação entre câmaras para modificar a rigidez na roda.
A autonivelação é normalmente uma tarefa relativamente lenta de controlo da altura; por si só, não torna a suspensão totalmente ativa.
Número de câmaras e volume efetivo
Algumas molas pneumáticas ligam várias câmaras através de válvulas. Abrir uma câmara pode aumentar o volume de gás que participa num movimento; fechá-la pode reduzir esse volume. Mantendo todos os restantes fatores iguais, um volume efetivo maior reduz geralmente a variação de pressão para um determinado deslocamento e pode diminuir a rigidez dinâmica. A área do fole, a pressão, a restrição das válvulas e o comportamento térmico significam que o número de câmaras, por si só, não constitui uma classificação de desempenho.
O atual Porsche Taycan fornece um exemplo concreto de produção. O seu chassis de série combina molas pneumáticas de duas câmaras com autonivelação e amortecedores adaptativos de duas válvulas. A carroçaria pode baixar a alta velocidade, enquanto a mola e o amortecedor permanecem elementos de controlo distintos. Porsche: Taycan two-chamber air suspension
Os sistemas pneumáticos acrescentam massa, custo, vedantes e modos de falha pneumáticos. Mudanças repetidas de altura podem aquecer o compressor; fugas podem deixar um canto mais baixo; a gestão da água e o comportamento em tempo frio são relevantes. A manutenção tem de seguir o procedimento do fabricante, porque um fole despressurizado pode ser danificado se o veículo for baixado sobre ele.
Barras de torção, molas de lâminas e materiais compósitos
Uma barra de torção é uma mola retilínea que armazena energia ao torcer. A respetiva alavanca determina a relação entre o movimento da roda e a torção da barra. As barras de torção podem ser instaladas longitudinal ou transversalmente e podem tornar mecanicamente conveniente a regulação da altura de marcha, mas continuam a necessitar de ligações separadas para posicionar as rodas e de amortecedores.
Uma mola de lâminas flete ao longo do seu comprimento. Num eixo dependente, pode suportar a carroçaria e transmitir também cargas longitudinais e laterais, reduzindo o número de componentes. O atrito entre lâminas, a geometria dos brincos e uma rigidez escolhida para a carga útil podem dificultar a afinação do conforto de marcha sem carga, mas os projetos parabólicos, compósitos e de vários estágios alargam o comportamento disponível.
As molas de materiais compósitos podem reduzir a massa e a corrosão, e uma única mola transversal compósita pode servir ambas as rodas nalgumas arquiteturas. A anisotropia do material, a inspeção de danos, as fixações e a estratégia de substituição têm de ser projetadas para a aplicação exata.
Barras estabilizadoras e molas interligadas
Uma barra estabilizadora é uma mola de torção que liga as suspensões esquerda e direita. Quando ambas as rodas sobem em conjunto, uma barra simétrica ideal roda sem grande torção. Quando uma roda sobe relativamente à outra, a barra torce e acrescenta rigidez ao rolamento.
Isto permite aos engenheiros alterar a distribuição da rigidez ao rolamento entre os eixos sem aumentar na mesma proporção a rigidez das molas principais. Essa distribuição influencia o equilíbrio do comportamento dinâmico em regime estacionário e a forma como a transferência lateral de carga se reparte entre os pneus dianteiros e traseiros.
Uma barra passiva rígida também acopla as rodas ao passar sobre irregularidades que afetam apenas um lado. Barras desacopláveis, sistemas ativos de controlo do rolamento e interligações hidráulicas ou pneumáticas podem variar esse acoplamento, mas são tecnologias diferentes, com comportamentos distintos em termos de energia e falha. Consulte active suspension.
Batentes de compressão, batentes de extensão e curso útil
A mola principal não é a única mola na parte final do curso. Um batente de fim de curso, habitualmente denominado batente de compressão, acrescenta uma força que aumenta rapidamente perto do limite de compressão. Os batentes elastoméricos modernos são componentes afinados cuja forma e material controlam a rigidez progressiva, a absorção de energia e o ruído. SAE: progressive suspension bump-stop behavior
Um batente de extensão desempenha uma função relacionada perto da extensão total. Ambos protegem os componentes e ajudam a definir o comportamento em movimentos extremos, mas o contacto frequente com os batentes pode tornar a resposta do veículo abrupta ou pode retirar carga a um pneu.
O curso útil tem dois lados:
- O curso de compressão absorve elevações da estrada e a compressão da carroçaria.
- O curso de extensão permite que a roda acompanhe depressões e que a carroçaria se estenda.
Rebaixar um veículo sem preservar ambos pode fazer com que os batentes sejam atingidos mais cedo, alterar as relações de movimento e o alinhamento e deixar o amortecedor a funcionar na zona errada do seu curso. Uma mola nominalmente muito macia não é confortável se as cargas normais consumirem o curso de que necessita.
Carga, frequência natural e altura de marcha
Acrescentar carga comprime uma mola de aço aproximadamente segundo Δx = ΔF/k dentro da sua gama linear. Altera também a massa suspensa na relação da frequência natural. Por conseguinte, a carga de passageiros e bagagem pode alterar a altura de marcha, o alinhamento, a orientação dos faróis, o curso e a resposta da carroçaria.
Um sistema pneumático pode restabelecer a altura de marcha ao aumentar a pressão, mas isso não torna o veículo carregado e vazio dinamicamente idêntico. A carga sobre os pneus, a inércia, a solicitação dos amortecedores e a deformação estrutural continuam a mudar.
A altura de marcha também afeta os ângulos dos veios de transmissão, a geometria da suspensão e a aerodinâmica. Uma alegação de que o rebaixamento melhora a autonomia exige provas específicas do veículo: o arrasto pode diminuir, mas o alinhamento dos pneus, o fluxo de ar de arrefecimento, a distância livre sob a carroçaria, a energia do compressor e as condições de controlo também são relevantes.
Escolhas de molas específicas dos veículos elétricos
A massa e a integração física da bateria podem limitar as opções do engenheiro. Uma bateria no piso pode deixar pouco espaço para braços compridos ou sedes de mola profundas, enquanto a proteção da bateria exige distância ao solo e curso de compressão adequados. Grandes variações entre o veículo vazio, totalmente ocupado e com carga de reboque podem tornar a autonivelação atrativa.
A resposta correta das molas de aço à massa adicional não é automaticamente «torná-las mais rígidas». Os engenheiros podem também alterar a relação de movimento, o curso, os batentes progressivos, a distribuição da rigidez ao rolamento, o amortecimento, a construção dos pneus ou a localização da massa. Do mesmo modo, a suspensão pneumática não é automaticamente mais macia; o resultado é determinado pela pressão, pelo volume, pela forma do pistão e pela calibração dos amortecedores.
O que compradores e proprietários devem verificar
Numa opção de suspensão pneumática, determine se esta proporciona autonivelação, altura selecionável pelo condutor, várias câmaras, amortecimento adaptativo ou geração ativa de força. Estas funções são frequentemente agrupadas, mas não são sinónimos.
Em qualquer suspensão, verifique o comportamento com a dimensão de roda efetiva e a carga prevista. Procure uma distância ao solo suficiente, contacto controlado com os batentes, uma altura de reboque estável quando aplicável e uma transição suave entre a mola principal e o batente de compressão. Num veículo mais antigo, uma altura de marcha desigual pode resultar de uma mola helicoidal partida ou cedida, de uma fuga de ar, de uma avaria do sensor de altura, da pré-carga de um casquilho ou de danos causados por um acidente; a causa deve ser diagnosticada, em vez de ser disfarçada apenas com o alinhamento.
As molas definem como a força aumenta com o deslocamento. O conforto e o controlo só surgem depois de se acrescentarem a essa curva a geometria, os amortecedores, os pneus e o curso disponível.