Introdução à Suspensão — De Molas e Amortecedores à Geometria e Controle Ativo

0. O que este artigo explica

• Quais molas e amortecedores cada um utiliza e como o modelo de um quarto de carro os descreve.

• Por que o conforto de condução e a estabilidade em curvas se anulam e como a rigidez é escolhida.

• As diferenças estruturais e os pontos fortes das suspensões MacPherson, de braços duplos triangulares e multilink.

• O estado atual do amortecimento ativo/adaptativo, com MagneRide, ZF CDC e Porsche Active Ride.

• A relação entre a transferência de peso durante a frenagem (mergulho da frente) e a suspensão.

1. Resumindo: o que é suspensão?

A suspensão é o mecanismo que mantém o pneu pressionado contra a superfície da estrada, enquanto amortece os impactos transmitidos da estrada para a carroceria. A mola suporta o peso da carroceria e armazena temporariamente a energia do movimento vertical, enquanto o amortecedor dissipa essa oscilação em forma de calor para que ela se estabilize. A geometria (disposição dos braços da suspensão) determina a trajetória ao longo da qual o ângulo e a posição do pneu se movem, controlando como a atitude do veículo muda durante curvas e acelerações/frenagens. Nos últimos anos, o controle eletrônico foi incorporado a esse sistema, tornando-se mais comum a utilização de sistemas que variam ativamente a força de amortecimento ou a própria altura da suspensão, dependendo da situação.

2. Mola e Amortecedor: o Modelo de Quarto de Carro

Figura 1 — O modelo de um quarto de carro (um modelo equivalente para uma roda). A entrada da estrada passa pela rigidez do pneu k_t para a massa não suspensa m_u, depois pela mola k_s e pelo amortecedor c para a massa suspensa m_s.

As equações de movimento para o modelo mais simples de um quarto de carro com dois graus de liberdade podem ser escritas como

Aproximando apenas a massa suspensa como um único grau de liberdade, a frequência natural e a taxa de amortecimento podem ser escritas como

Com \zeta<1 (subamortecido), ele oscila enquanto converge; em \zeta=1 (amortecimento crítico) converge no menor tempo possível sem oscilar; e com \zeta>1 (amortecimento excessivo), a convergência é mais lenta. A massa suspensa de um carro de passeio geralmente se encontra na região subamortecida, e \zeta é frequentemente ajustado em torno de 0,2–0,4 para equilibrar o conforto de condução com a rapidez com que a suspensão se estabiliza. O lado não suspenso é dominado pela rigidez do pneu k_t e ressoa em uma frequência muito mais alta do que o lado suspenso, resultando em uma divisão de trabalho onde a massa do pneu e do conjunto de rodagem absorve pequenas irregularidades da estrada, enquanto a mola e o amortecedor lidam com impactos maiores, como ondulações.

3. A relação entre conforto de condução e estabilidade de direção

Figura 2 — Diagrama conceitual, não dados medidos. O endurecimento da suspensão suprime as mudanças de atitude da carroceria (rolagem, inclinação) e tende a melhorar a estabilidade em curvas, mas torna mais difícil absorver as irregularidades da estrada e o conforto de condução tende a piorar.

O endurecimento da mola ou do amortecedor reduz a rolagem da carroceria em curvas e a inclinação durante a aceleração/frenagem, estabilizando o contato dos pneus e melhorando a estabilidade em curvas. Por outro lado, transmite mais diretamente as irregularidades da estrada para a carroceria, piorando o conforto de condução. Uma suspensão mais macia melhora o conforto de condução, mas as mudanças de atitude aumentam, elevando a variação da carga nos pneus e tornando o comportamento no limite mais difícil de prever. Ajustar um carro de produção é escolher onde se posicionar nesse equilíbrio entre dois eixos — modelos esportivos tendem à estabilidade em curvas, enquanto sedãs de luxo e minivans tendem ao conforto de condução. O amortecimento adaptativo abordado na Seção 5 pode ser descrito como uma tecnologia que altera esse equilíbrio, que de outra forma seria fixo, dependendo das condições de direção.

4. Tipos de Suspensão: Diferenças na Geometria

Figura 3 — Um esquema simplificado (não a geometria exata, mas um diagrama conceitual do raciocínio estrutural). Em uma suspensão MacPherson, a própria suspensão funciona como alojamento da mola/amortecedor e eixo de direção. Em uma suspensão de braços duplos triangulares, dois braços independentes, superior e inferior, controlam o movimento da manga de eixo. Em uma configuração multilink, de três a cinco barras são posicionadas individualmente para controlar com precisão os graus de liberdade de movimento.

Suspensão MacPherson: uma única suspensão, que abriga a mola e o amortecedor juntos, suporta diretamente a parte superior da manga de eixo, com um único braço inferior posicionando a parte inferior. Com poucas peças, é leve, compacta e fácil de manter com baixo custo, sendo amplamente utilizada em carros de pequeno e médio porte com tração dianteira. A desvantagem é que a suspensão transmite a força para a carroceria através da torre da suspensão, que precisa de uma rigidez correspondentemente alta. ali.

Duplo braço oscilante: braços superiores e inferiores independentes (braços oscilantes) suportam a junta da direção, com a mola e o amortecedor montados separadamente dos braços. Como o comprimento e o ângulo de montagem dos braços podem ser projetados independentemente, a variação da cambagem e a altura do centro de rolagem podem ser controladas com precisão nas curvas, conforme o esperado, razão pela qual é o formato preferido em carros esportivos, carros de luxo e veículos de corrida. A desvantagem é a necessidade de mais peças e mais espaço.

Multilink: em vez de uma divisão superior/inferior, este formato utiliza de três a cinco braços em ângulos e comprimentos individuais, sendo usado principalmente na suspensão traseira. Como há um grau de liberdade para cada braço, as alterações nos ângulos de convergência e cambagem podem ser ajustadas individualmente para curvas, frenagem e aceleração, facilitando o aprimoramento do conforto de condução e da estabilidade em curvas, mesmo com ajustes geométricos. Os custos de projeto e fabricação tendem a ser relativamente altos entre os três formatos.

5. Amortecimento Ativo e Adaptativo

As características fixas de mola/amortecedor não escapam da desvantagem mencionada na Seção 4, mas o controle eletrônico que altera essas características permite um ajuste mais preciso. A condução com suspensão adaptativa tornou-se comum.

O amortecimento adaptativo altera apenas a característica de amortecimento do amortecedor em tempo real. O Magnetic Ride Control (MagneRide) da GM preenche o amortecedor com um fluido magnético (magnetorreológico) e varia a viscosidade do fluido com a corrente enviada através de uma bobina, alterando a força de amortecimento sem uma válvula mecânica — como nome comercial da desenvolvedora Delphi, diz-se que apareceu pela primeira vez no Cadillac Seville STS de 2002. O Continuous Damping Control (CDC) da ZF calcula uma força de amortecimento alvo a partir dos dados do sensor de cada roda e, de acordo com materiais oficiais, pode ajustar a força de amortecimento até 100 vezes por segundo.

A suspensão ativa vai além, gerando ativamente a própria atitude da carroceria, e não apenas o amortecedor. O Active Body Control (ABC) da Mercedes-Benz foi apresentado no Salão Automóvel de Genebra de 1999 como um sistema que controla ativamente a atitude da carroceria usando hidráulica, e seu sucessor, o E-Active Body Control, usa um sistema de suspensão ativa. Fonte de alimentação de 48V para controlar individualmente cada roda. De acordo com o manual oficial, funciona com uma função de leitura da superfície da estrada que analisa o piso à frente para suprimir mudanças de atitude. O Porsche Active Ride da Porsche equipa cada amortecedor com sua própria bomba eletro-hidráulica dedicada, que extrai energia diretamente da bateria de alta voltagem do veículo para gerar, de forma independente, força de retorno e compressão. Segundo o material oficial, a resposta chega a 13 Hz.

Como tecnologia com raízes no automobilismo, temos o amortecedor DSSV (Dynamic Suspensions Spool Valve) da Multimatic. O uso de uma válvula de carretel em vez de uma válvula de lâminas permite que as características de retorno e compressão em baixa e alta velocidade sejam ajustadas independentemente, com menor variação entre unidades. De acordo com a empresa, a tecnologia remonta à sua introdução na Fórmula 1 em 2002. Uma publicação oficial no blog da Chevrolet descreve a tecnologia DSSV como tendo sido implementada em carros de produção, incluindo o Corvette.

6. A Relação entre Frenagem e Veículo Dinâmica

Durante a frenagem ou aceleração, a carroceria sofre transferência de peso longitudinal. Considerando a altura do centro de gravidade como h, a distância entre eixos como L, a massa como m e a aceleração longitudinal como a_x, o peso transferido entre os eixos dianteiro e traseiro pode ser aproximado por:

Em frenagens bruscas, o peso se desloca para as rodas dianteiras (mergulho da frente), e a mola dianteira se comprime enquanto a traseira tende a levantar. Em aceleração, ocorre o inverso — a traseira se comprime, resultando em abaixamento da traseira. De forma semelhante, a transferência de peso lateral em curvas, considerando a largura da bitola como t e a aceleração lateral como a_y, pode ser aproximada por:

Quanto maior for essa transferência lateral Na transferência de peso, quanto mais carga se acumula no pneu externo enquanto a carga diminui no pneu interno, menor a aderência total nos quatro pneus. Em configurações de suspensão de braços duplos triangulares e multilink, os ângulos de montagem dos braços são, por vezes, projetados para resistir à inclinação da dianteira durante a frenagem ou à inclinação da traseira durante a aceleração — geometria "anti-mergulho" e "anti-agachamento" — outra área onde a liberdade de configuração dos braços descrita na Seção 4 entra em jogo. Para o mecanismo de frenagem em si (circuito hidráulico, ABS/ESC, regeneração), consulte o Guia Básico de Sistemas de Freio. Além disso, como o peso da bateria aumenta a massa suspensa em um veículo elétrico, enquanto um motor integrado à roda aumenta a massa não suspensa, o projeto de m_s e m_u no modelo de um quarto de carro da Seção 2 também se altera com a configuração do trem de força. Consulte também o Trem de Força de Veículos Elétricos. Guia básico para distribuição de peso em veículos elétricos.

7. Comparando Configurações

8. Condições Difíceis e Segurança

Se um amortecedor se degradar e começar a vazar óleo ou perder força de amortecimento, a mola sozinha controlará a oscilação, diminuindo a velocidade de estabilização e piorando a estabilidade em curvas e a aderência em terrenos irregulares. A frenagem pode causar problemas. O desgaste das buchas ou juntas esféricas compromete a precisão do posicionamento dos braços da suspensão, resultando em oscilação em linha reta, ruído e desgaste irregular dos pneus. A oscilação da direção em lombadas — um puxão momentâneo no volante ao passar por uma lombada — pode ser causada pelo ângulo de montagem e pela amplitude de movimento projetados nas bielas, ou por folgas decorrentes do desgaste. Quando um grande impacto leva a suspensão ao seu limite mecânico de curso (o batente), qualquer impacto adicional é absorvido pela própria carroceria. Portanto, se a altura da suspensão ou o tamanho dos pneus forem alterados significativamente em relação à configuração original, é necessário verificar o curso e a folga. Na manutenção, os princípios básicos são: não trabalhar com a mola sob carga, usar ferramentas específicas, como um compressor de molas, e seguir os procedimentos do manual de serviço e os equipamentos de proteção individual para a fiação hidráulica de alta tensão e alta pressão da suspensão ativa ou dos amortecedores adaptativos elétricos.

9. Opções Práticas

• Deslocamento diário, principalmente em cidade: uma configuração mais macia, voltada para o conforto, ou uma configuração com amortecimento adaptativo, para equilibrar ambos.

• Condução esportiva, estradas de montanha: verifique Para uma geometria de alta liberdade, como a de braços duplos triangulares combinada com um amortecedor mais rígido ou variável.

• Estradas irregulares, cargas muito variáveis: uma suspensão ativa pneumática/hidráulica que pode ajustar a altura da carroceria e as características do amortecedor de acordo com a carga e a superfície da estrada tende a ter vantagem.
• Substituição de amortecedores ou ajuste da altura da carroceria em um carro existente: se as características forem alteradas significativamente em relação à configuração original, considere o curso da suspensão, a folga em relação ao batente e as alterações na geometria (camber, convergência) em conjunto.

10. Resumo (três linhas para revisão)

A suspensão é um mecanismo onde a mola suporta a carga e o amortecedor dissipa a vibração como calor para estabilizá-la, e os modelos \omega_n e \zeta do modelo de um quarto de carro descrevem seu comportamento em linhas gerais.

As suspensões MacPherson, de braços duplos triangulares e multilink diferem na liberdade de movimento de seus braços, o que altera o equilíbrio entre conforto de condução e estabilidade. Empurrado.

O controle adaptativo/ativo, como o MagneRide e o Porsche Active Ride, é uma tecnologia que altera essa relação de compromisso dependendo das condições de direção e está intimamente ligada à transferência de peso durante a frenagem e a aceleração.

Referências

• Site oficial do MagneRide
• Manual oficial do Mercedes-Benz E-Active Body Control
• Sala de Imprensa da Porsche — Porsche Active Ride
• ZF — Controle Contínuo de Amortecimento (CDC)](https://www.zf.com/products/en/cars/products_64273.html)
• Multimatic — Tecnologia de Amortecimento DSSV
• Chevrolet — Tecnologia Multimatic DSSV
• SAE International