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Sistema de Suspensão e Direção

Luiz Carlos Gertz Universidade Luterana do Brasil

Suspensão Introdução

O objetivo deste texto é oferecer informações básicas sobre o funcionamento da suspensão de um veículo com relação à geometria, ou seja, como o desenho influência no comportamento do veículo. Não serão considerados os aspectos dinâmicos e estruturais necessários para o dimensionamento de componentes.

Este texto não tem a pretensão de criar uma nova bibliografia sobre suspensão de automóveis, mas sim suprir a falta de literatura em língua portuguesa sobre o tema. Sendo assim será apresentada uma revisão bibliográfica onde serão enfocados aspectos que permitam ao aluno compreender a teoria de funcionamento dos diversos tipos de suspensão.

Um grande esforço foi realizado para que todas as definições fossem colocadas de forma simples e clara, dentro de uma ordem que tornasse o texto compreensível. Infelizmente, algumas vezes, isto não foi possível, principalmente pela dificuldade de traduzir alguns termos e pelo fato de que o sistema de suspensão não possui um limite definido com outros sistemas. O automóvel é composto pelo sistema de transmissão, sistema de direção, sistema de freios e suspensão. A suspensão possui partes de destes sistemas: do freio, possui mangueiras, discos ou sapatas; da direção possui articulações, barras, eixos; e da transmissão possui semi-eixos, juntas homocinéticas ou cruzetas, etc.

Os nomes utilizados para definir peças, efeitos, ou características que não possuem uma expressão popularmente conhecida em nossa língua foram traduzidos literalmente para o português. Alguns termos de difícil tradução foram conservados na língua inglesa com o objetivo de não criar expressões que se tornem comum ao pequeno grupo de usuários deste material.

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O Início

O comerciante chamado Nikolaus August Otto, de origem austríaca e naturalizado francês, e que não era engenheiro, construiu uma máquina com a finalidade de dar autonomia as carroças. Sua intenção era a de oferecer uma opção mais prática que o sistema de propulsão da época, o cavalo. Assim, em 1862, foi construído o primeiros motor de combustão interna (Hunninghaus). Foi um trabalho árduo que durou muitos anos e vários problemas foram enfrentados. Chegou a ser proibido de trabalhar pela polícia e tinha que fazê-lo nas madrugadas, escondido, pois os vizinhos acreditavam que ele era um feiticeiro. As ferramentas disponíveis eram primitivas, os processos de transformação do aço eram rudimentares o que impossibilitava a construção de um sistema complexo de transmissão que permitisse que e o motor tracionasse uma carroça, o que fez com que os primeiros motores de combustão interna fossem testados em lanchas, devido a simplicidade do sistema de transmissão. Depois que os motores se mostraram confiáveis e, principalmente, utilizáveis, ficou claro que tentar adaptá-los em carroças não era viável, e assim estes veículos transformaram-se para receber os novos motores.

A tecnologia utilizada na construção de bicicletas e o glamour criado pela sociedade no final do século XIX foram cruciais para o desenvolvimento do automóvel. Inicialmente a bicicleta era uma travessa de madeira acolchoada, com duas rodas onde o condutor impulsionava-se com grandes passadas. Depois surgiu o sistema de transmissão onde o pedal acoplado no eixo dianteiro tracionava uma roda muito grande. Quando, finalmente, surgiu a bicicleta que conhecemos atualmente com tração na roda traseira iniciou-se uma nova era para a mecânica ligeira. Foram desenvolvidos eixos e mancais precisos. Vieram as rodas de borracha, depois os pneumáticos, as rodas dentadas, as correntes e, por fim, as esferas.

Os adeptos do ciclismo cresceram da noite para o dia e a industria de construção de bicicletas cresceu de forma espantosa.

Uma nova escola foi criada, um ideal. O clima de entusiasmo associado ao ciclismo fez com que, quase que simultaneamente, surgissem a motocicleta, o triciclo a motor e o automóvel leve. Era a aplicação do motor ao ciclismo.

Os primeiros construtores de automóveis preferiam os triciclo por ser a melhor base para o veículo leve, já que possuía pouca massa e era robusto, prestando-se muito bem para receber um motor, desde que ele também fosse leve e rápido.

Os primeiros triciclos motorizados fizeram um grande sucesso que perdurou por mais de vinte anos. O ilustre brasileiro Santos Dumont, que criou o primeiro dirigível ao colocar um pequeno motor num balão esférico, e primeiro homem a voar com um veículo mais pesado que o ar, também foi um dos importantes personagens da história do automóvel. Foi o primeiro a organizar uma corrida de triciclos, na França, no velódromo Parc des Princes, bancando os custos do aluguel do velódromo e dos prêmios, conforme ele mesmo descreve em seu livro “Meus Balões”. O evento foi um sucesso muito maior que o esperado, e um marco na história. Também foi o responsável por trazer o primeiro automóvel para o Brasil.

Até 1886 existia uma grande disputa entre os veículos impulsionados por vapor e os impulsionados por gasolina, até que Karl Benz constrói seu triciclo a gasolina, considerado o primeiro automóvel útil (Figura 1). Benz desenvolveu vários sistemas e o bom rendimento de seu veículo se deve, principalmente, ao refinamento do uso do sistema de arrefecimento e da carburação. Ele é considerado o iniciador da técnica automotiva por ter aprimorado a unidade do motor com o chassis. (Pietisch, 1962).

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Figura 1 – Triciclo Benz, 1888.

Além da bicicleta a carroça (Figura 2) e a locomotiva também foram fonte de inspiração para o desenvolvimento do automóvel. Na Figura 3 pode ser vista a suspensão de molas planas de um Chase, 1908 pertencente ao Museu da Tecnologia da ULBRA, que é praticamente o mesmo utilizado nas carruagens para transporte de pessoas, onde o nível de conforto já era razoável.

A suspensão do automóvel demorou algumas décadas para ser aprimorada. Em 1901 August Horch, que daria origem a Audi, constrói um veículo com cofre para o motor montado na dianteira, caixa de câmbio na parte posterior do motor, carburador, articulação de Cardan e diferencial. Nesta época surge a suspensão com molas planas, os feixes de molas, fixados em eixos rígidos, tal como as conhecemos hoje. Porém, somente trinta anos depois, em 1933, a GM utiliza amortecedores telescópicos e a Mercedes utiliza suspensão independente. Em 1955 a Citroën lança a primeira suspensão hidro-pneumática.

Figura 2 - Carroça Funerária de 1873. Museu da Tecnologia da ULBRA

Figura 3 - Chase 1908. Museu da Tecnologia da ULBRA.

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Definição

A suspensão ideal seria aquela que permitisse que o veículo flutuasse, tal como nos filmes de ficção cientifica. Durante seu deslocamento nenhuma força proveniente das variações de distância relativa entre o veículo e solo, seria transmitida para a carroceria. Como está solução ainda não é viável, utiliza-se um sistema mecânico que, de forma geral, tem o objetivo de “absorver” as desigualdades do terreno sobre o qual o veículo se desloca, proporcionando aos passageiros um adequado nível de conforto e segurança, protegendo a carga e o próprio veículo. Além disto, de forma mais específica, é função da suspensão limitar a rolagem da carroceria, manter o contato das rodas com o solo, de forma que ocorra a menor variação possível de carga, controlar o camber e o esterçamento das rodas, e oferecer resistência às reações produzidas pelos pneus, tais como: forças longitudinais (acelerações e frenagens), forças laterais (curvas), torques gerados pela frenagem e pela mudança de direção.

A massa do veículo pode ser separada em duas partes: massa suspensa que é aquela que é suportada pelas molas da suspensão (sprung), e a não suspensa, que é toda a restante (unsprung). A conexão entre estas duas partes materializa a suspensão propriamente dita.

O sistema de suspensão é formado por todas as partes que são responsáveis pelo movimento relativo entre as rodas e o corpo do veículo: barras, eixos, articulações, buchas, etc. Todos estes componentes fazem parte de um mecanismo que tem como objetivo fazer a roda deslocar-se para cima e para baixo de forma controlada.

A suspensão é composta por um elemento flexível (molas helicoidal, barra de torção, mola de borracha, a gás ou ar, etc.) e um elemento amortecedor, que freia as oscilações das massas suspensas, originadas pela deformação do elemento flexível, decorrentes das irregularidades do solo. Quanto menor a massa deste sistema melhor será seu desempenho.

Os pneus e acentos de um veículo podem ser considerados como elementos complementares do sistema de suspensão.

Elemento flexível da suspensão

Molas em forma de lâmina

As molas em forma de lâminas foram utilizadas inicialmente nas carruagens e nas locomotivas devido à facilidade de produção e a simplicidade do sistema mecânico que compõe a suspensão, pois não necessitam de barras, balanças, pivôs, etc. Até o início da década de 60 elas eram o elemento flexível da suspensão da maioria dos automóveis, que as utilizavam em várias configurações, conforme pode ser visto na Figura 4. Este tipo de mola é composto por uma série de lâminas de aço, onde, geralmente, a primeira é mais larga e mais longa, com uma conformação em cada extremidade, de forma que aloje um pino formando uma junção articulada. As demais são menores e possuem curvatura mais acentuada. Quando o conjunto de molas se deforma uma parte da energia é consumida com o atrito gerado entre as superfícies de cada lâmina que estão em contato, o que provoca um amortecimento. O feixe de molas é fixado na estrutura do veículo através de um eixo e um jumelo que permite a variação de seu comprimento longitudinal quando flexionadas.

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Figura 4 – Configurações para molas laminares. Guitián, 2001.

A principal vantagem das molas semielípticas é a sua robustez, o que permite que sejam utilizadas em qualquer eixo de caminhões, ou na traseira de pequenos veículos de carga, neste caso com menor curvatura e com menor quantidade de lâminas. Veículos fora de estrada também as utilizam pois, combinadas com o eixo rígido, possibilitam grande curso da suspensão.

Atualmente se utilizam também molas quase planas formadas por uma única lâmina que se curvam no sentido contrário ao habitual.

Molas helicoidais

As molas helicoidais substituíram os feixes de molas dos automóveis atuais. São leves, eficientes e compactas, o que as torna ideais para o uso na suspensão independente (Figura 5).

As molas helicoidais consistem numa barra de aço enrolada em forma de hélice. A elasticidade depende de seu diâmetro, do diâmetro da barra, do número de helicóides (obs: espiras são partes de uma mola espiral, não de uma mola helicoidal) e das características do material utilizado. Como o objetivo de facilitar a montagem, geralmente, as extremidades são planas.

Figura 5 - Suspensão com mola helicoidal. Guitián, 2001.

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Quando uma mola helicoidal é submetida a um esforço aplicado em seu eixo as deformações são regidas principalmente por flexão, semelhante a uma viga engastada, porém, enrolada. Quando ocorrem grandes deformações que alteram significativamente o passo (distância entre dois helicóides consecutivos) da mola helicoidal, as deformações são regidas por principalmente por torção.

Mola do tipo Barra de Torção

A mola do tipo Barra de Torção é uma viga engatada submetida a um torque na extremidade livre que provoca a torção. A deformação da barra é proporciona ao seu comprimento e inversamente proporcional a quarta potência do diâmetro da espessura.

Foi utilizado pela primeira vez no modelo Traction Avant 7/11 da Citröen em 1934. A patente pertence a Ferdinad Porsche que utilizou-a pela primeira vez, tanto na dianteira como na traseira, do VolksWagen Tipo 60 Kdf-Wagen, de 1938, popularmente conhecido no Brasil como Fusca. Após a grande guerra foi utilizada no DKW 102 e posteriormente no seu precursor, o Audi, em 1965. Na Figura 6 pode ser visto a suspensão dianteira onde dois conjuntos de feixes de molas, formados por barras planas, são engastados no centro da suspensão e o torque é aplicado, em cada extremidade, por quatro braços oscilantes que estão conectados a ponta de eixo (pino mestre, kingpin). A maior dificuldade que Porshe teve no desenvolvimento deste tipo de mola foi o acerto do tratamento térmico. No início as molas partiam-se gerando um estampido abrupto e forte dentro do veículo, o que poderia gerou grande preocupação pois isto poderia comprometer o futuro do VW Sedan.

Figura 6 - Suspensão com barra de torção formada por lâminas. Guitián, 2001.

Atualmente as barra de torção utilizam uma nova configuração. Ao invés de serem montadas transversalmente, como as mostradas anteriormente, são longitudinais, formadas por uma única barra de seção circular, conforme pode ser visto na Figura 7. Este tipo de elemento elástico, utilizado em alguns utilitários de médio e grande porte, é eficiente, robusto, leve e não ocupa espaço entre as barras oscilantes da suspensão, estendendo-se ao lado das longarinas do chassi sob a cabine.

Figura 7 - Suspensão com barra de torção de seção circular. Guitián, 2001.

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Barra Estabilizadora

Quando um veículo percorre uma trajetória curvilínea as forças inerciais inclinam seu corpo para o lado de fora da curva (rolagem), provocando uma maior compressão das molas do lado externo, aproximando a carroceria das rodas, e uma diminuição da compressão nas molas do lado interno, afastando-a das rodas. Para minimizar este efeito se utilizam barras estabilizadoras que podem ser montadas no eixo dianteiro, traseiro ou em ambos.

As barras estabilizadoras são compostas, geralmente, por uma viga de aço de seção circular em forma de “U”. Suas extremidades são fixadas na suspensão, na base dos amortecedores, e a parte central é fixada através de duas articulações na carroceria, conforme pode ser visto na Figura 8.

Figura 8 - Suspensão MacPherson com barra estabilizadora. Fonte Internet

Se a barra estabilizadora fosse infinitamente rígida a carroceria não sofreria nenhuma inclinação na curvas, como se não existisse suspensão. Porém, se em linha reta o veículo avançasse sobre um aclive acentuado a suspensão funcionária normalmente, e as duas rodas unidas pela barra estabilizadora sempre assumiriam a mesma posição em relação à carroceria. Como não é este seu objetivo, sua rigidez permite que ele funcione como uma mola que une cada roda de cada lado do veículo, minimizando a inclinação lateral nas curvas, ou quando uma das rodas passa por um obstáculo numa reta (Figura 9).

Figura 9 - Esquema de funcionamento da barra estabilizadora. Adams.

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A elasticidade de uma barra de torção varia com seu comprimento, com o diâmetro da espessura (quarta ordem), e depende das características mecânicas do material utilizado.

A principal vantagem da barra estabilizadora, na maioria dos casos, não é aumentar a estabilidade, mas sim o conforto, já que seu uso permite que as molas tenham uma rigidez menor de até 20%. Neste caso o objetivo principal não é diminuir sensivelmente a rolagem, mas sim oferecer ganho em conforto sem prejudicar a estabilidade. Sendo assim, um carro com estabilizador, não é mais estável que outro com as molas adequadamente mais rígidas.

Se um veículo com suspensão bem dimensionada, tiver seu projeto original alterado com o objetivo de diminuir a rolagem, através da instalação de barras estabilizadoras (ou do aumento da rigidez das molas), fatalmente sua estabilidade será prejudicada. Isto ocorrerá devido a transferência de carga das rodas internas da curva para as externa, provocando uma diminuição da aderência dos pneus na pista. Neste caso, a instalação de uma barra estabilizadora diminuirá a estabilidade.

É claro que o enfoque dado anteriormente não é aplicável para veículos de competição, onde a barra estabilizadora tem o objetivo de aumentar o desempenho, não visando o conforto. Na Figura 10 pode ser visto um sistema de suspensão embarcada, onde os estabilizadores são formados uma barra em forma de “U” conectada por duas barras articuladas nas duas extremidades (bielas). A vantagem deste sistema é que além diminuir a massa não suspensa, o que aumenta significativamente o rendimento do sistema, permite que regulagens precisas sejam feitas rapidamente.

Figura 10 - Suspensão embarcada com barra estabilizadora. Aird, 1997.

Amortecedores

Quando os primeiros automóveis foram construídos sua suspensão era semelhante as utilizadas nas carroças. O desenvolvimento dos motores e, principalmente, dos pneumáticos permitiu que num espaço curto de tempo a velocidade aumentasse consideravelmente. Os automóveis, com suas primitivas suspensões, rodando em estradas inadequadas oscilavam descontroladamente gerando desconforto e insegurança. Surgia a necessidade do desenvolvimento de um sistema mais estável e uma nova peça foi introduzida, o amortecedor.

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Os amortecedores são utilizados desde o início do século, mas difundiram-se após comprovarem sua eficiência no Grande Prêmio da França de 1906,. Os primeiros eram “de fricção” (Figura 11) formados por dois braços articulados, um fixo no chassis e outro na no eixo da roda através de articulação. Cada braço é constituído por uma ou mais lâminas de aço que se unem alternadamente em um eixo comum, intercaladas com discos de fricção de madeira, tecido, couro ou amianto.

Figura 11 - Amortecedor de fricção. Guitián, 2001.

Na década de 20 foram construídos os primeiros amortecedores hidráulicos, que inicialmente atuavam somente no curso de descendência da roda e, mais tarde, também durante a ascendência. A Figura 12 mostra um amortecedor hidráulico comumente utilizado por vários fabricantes de carro anos 30.

Figura 12 – Amortecedor do Oldsmobile 1936. Museu da Tecnologia ULBRA.

Em 1930 a Monroe criou o amortecedor hidráulico telescópico. Este tipo de amortecedor é o mais comumente encontrado no automóveis atualmente e baseia-se na força gerada pela resistência ao movimento do óleo para ser transportado por um por um orifício. A Figura 13 mostra o esquema representativo de dois amortecedores telescópicos, o primeiro com dois tubos e o segundo com um tubo.

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Figura 13 - Amotecedores telescópicos: com duplo tubo e monotubo. Milliken, 1995.

Quando um automóvel passa com a roda sobre um obstáculo a suspensão se movimenta comprimindo a mola, evitando que a carroceria se levante abruptamente, porém, imediatamente a energia armazenada na mola tende a restituir sua posição original, transmitindo grande força para a carroceria e provocando oscilações até estabilizá-la na posição de equilíbrio. Se o amortecedor for de ação simples sua função será a de frear o movimento da suspensão durante a descendência da roda em relação a carroceria, diminuindo desta forma as forças transmitidas para as cargas transportadas pelo veículo e para os passageiros. Se oferecer resistência ao movimentos de descendência e de ascendência o amortecedor será de dupla ação.

Num amortecedor telescópico de dupla ação, quando a suspensão é comprimida, a haste penetra no tubo e o óleo passa por válvulas com orifícios calibrados que oferecem uma pequena resistência ao movimento. Quando é tracionada estas válvulas fecham-se e outras, que oferecem maior resistência, são acionadas. Se uma força de compressão excessiva for aplicada ao amortecedor uma válvula de proteção permite que o óleo passe por outra via que não são os orifícios calibrados.

A Figura 14 mostra a relação entre a força de resistência ao movimento de um amortecedor telescópico de dupla ação com o curso, para uma determinada velocidade de deslocamento da suspensão. Quanto maior for a velocidade, maior será a força de resistência.

Figura 14 - Gráfico de Força por curso da suspensão. Milliken, 1995.

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Tipos de Suspensão

As suspensões dos veículos podem ser divididas em dois grupos: eixos rígidos e suspensão independente. Os fundamentos de funcionamento da suspensão de eixo rígido é significativamente mais simples que a suspensão independente, por este motivo, faremos uma breve descrição da primeira e utilizaremos a suspensão independente para apresentar a teoria sobre o tema.

Eixo Rígido

Os Eixos Rígidos originaram-se de veículos que existiam antes do surgimento dos automóveis. Atualmente são utilizados tanto na traseira como na dianteira em muitos automóveis, pequenos médios ou grandes, em utilitários, em caminhões. Podem conter um par de rodas que giram livremente montados na traseira, ou na dianteira. Também podem conter um par de rodas responsáveis pela tração montados na traseira, sendo encontrados, atualmente, em carros de médio e grande porte, e na maioria dos utilitários e caminhões. Com tração na dianteira são utilizados em veículos fora de estrada (4x4).

A simplicidade do sistema mecânico necessário para sua montagem, sua robustez e a pequena manutenção são suas principais vantagens. Nos veículos fora de estrada, além destes fatores, são utilizados por proporcionar um longo curso da suspensão, o que é fundamental para este tipo de veículo, já que a área de contato do pneu com o solo está diretamente relacionado com sua eficiência.

O eixo rígido não sofre alteração de camber quando o veículo é carregado, nem durante uma curva, seja pela rolagem da carroceria, nem devido a força lateral aplicada nas rodas pela pista.

Um problema associado a este eixo é uma vibração que ocorre nas rodas dianteiras e que está associado a folgas do sistema mecânico e a sua freqüência natural chamado de Shimmy.

Uma das configurações mais comuns de montagem dos Eixos Rígidos (Hotckiss) é aquela em que dois conjuntos de molas semi-elípticas, montadas longitudinalmente, são utilizados para conectá-lo ao chassi, e o centro possui um diferencial, conectado a um cardan através de uma junta universal (Figura 15). Este tipo de tração foi utilizado em grande parte dos automóveis de passageiros dos anos 60. Atualmente é utilizado em veículos de carga, leves e pesados.

Figura 15 - Suspensão com eixo rígido e molas semi-helipticas. Gillespie, 1992.

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Quando não são utilizados feixes de molas em eixos rígidos é necessário o uso de barras (Four Link) que restrinjam os movimentos laterais provocados pelas forças geradas em curvas e a tendência de giro do eixo gerada pela forças transmitidas através do cardam para o diferencial, e deste para as rodas (Figura 16).

Figura 16 – Suspenasão four-link. Gillespie, 1992.

De Dion

Um tipo de suspensão pouco utilizada, mas clássica, é a De Dion (1894), que é uma mistura entre o Eixo Rígido e a Suspensão Independente. Ele é composto por uma barra sólida que conecta as duas rodas, por dois semi-eixos e por um diferencial fixo no chassi, conforme pode ser visto na Figura 17. Como o diferencial não é fixo ao eixo a massa não suspensa diminui, oferecendo ao sistema maior eficiência.

Figura 17 - Suspensão De Dion. Gillespie, 1992.

A Geometria da Suspensão

Restrição de movimento que a suspensão deve oferece r

Um corpo em movimento no espaço apresenta seis Graus de Liberdade (GDL) em relação a outro corpo (Figura 18). A roda traseira de uma bicicleta possui apenas um (GDL), em relação ao seu chassi, que é a rotação em relação ao seu eixo. A roda traseira de um automóvel apresenta dois GDL, já que ela além de girar, também se desloca para cima e para baixo. A suspensão ideal é aquela que possibilita a restrição do movimento da ponta de eixo (knuckle) em cinco direções, permitindo apenas o deslocamento para cima e para baixo.

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Figura 18 - Número de Graus de Liberdade e movimento da suspensão. Milliken, 1995.

Para restringir o movimento em cinco graus são necessárias cinco barras. A estrutura em forma de “A”, mostrada na Figura 19 pode ser considerada como

duas barras que possuem uma junção em comum. A suspensão do tipo MacPherson é equivalente, para pequenos deslocamentos, a uma estrutura em forma de A com comprimento infinito.

Figura 19 - Partes da suspensão e número de barras equivalentes. Milliken, 1995.

A suspensão independente pode ser montada com sistemas equivalentes a cinco barras.

A suspensão MacPherson possui duas direções restritas pela estrutura superior, duas pela estrutura inferior em forma de “A” e mais uma imposta pela barra do sistema de direção. A suspensão com duas estruturas em forma de “A” apresenta duas restrições para cada “A”, mais uma pela barra do sistema de direção.

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Centro Instantâneo de Giro

O Centro Instantâneo de Giro (CI), ponto sobre o qual um corpo gira num determinado instante, é utilizado para auxiliar na determinação de vários parâmetros da suspensão. Encontras-se no cruzamento das linhas da direção das articulações das barras que compõe as estruturas da suspensão. Na Figura 20 pode-se ver a representação de um sistema equivalente para um determinado instante. Para pequenos deslocamentos da suspensão pode-se considerar a distância do CI constante, porém, é fácil perceber que para deslocamentos significativos à distância do CI até a roda varia consideravelmente.

Figura 20 - Centro Instantâneo de Rotação. Milliken, 1995.

Eixo Instantâneo de Giro

O CI, conforme mostrado anteriormente, foi determinado através de uma análise bidimensional, onde as barras da suspensão foram projetadas no plano frontal. Foi determinado o cruzamento das linhas que passam pelas articulações de cada barra. Está mesma análise pode ser feita através da projeção das barras da suspensão num plano longitudinal do veículo. Desta forma dois CIs, com coordenadas diferentes serão determinados. A reta que contém estes dois pontos é o Eixo Instantâneo de Giro da ponta de eixo (knuckle) (Figura 21).

Figura 21 - Eixo Instantâneo de Rotação. Milliken, 1995.

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Como o CI da vista frontal varia de posição, o Eixo Instantâneo de Giro também varia. O CI da vista lateral é determinado pelas articulações das barras da suspensão na carroceria (ou chassi) do veículo. Como estes pontos são fixos, o CI da vista lateral também é fixo.

Suspensão independente

A suspensão independente possui dois CIs, um que pode ser determinado através da vista lateral, e que esta relacionado predominantemente com as acelerações longitudinais do veículo, outra que pode ser determinado por uma vista frontal e que está relacionado com as acelerações laterais.

Vista Frontal da Suspensão do Tipo Braço em Balanço (Swing Arm)

Quando a suspensão desloca-se numa curva devido às acelerações ocorre um giro do corpo do veículo em relação a um ponto, o Centro de Rolagem (CR) (Roll Center RC), que é o ponto de intersecção das linhas que unem o CI até o ponto de contato do pneu com o solo (Figura 22(a)).

Para definir o CR: 1) Determine o CI, que é o ponto virtual de encontro das linhas que contém as

conexões de cada barra da suspensão. 2) Trace uma linha unindo o CI e o ponto de contato do pneu com o solo. 3) O ponto onde estas linhas se cruzaram é o CR Se o desenho da suspensão for simétrico o CR se encontrará na linha central.

Porém se forem diferentes o CR se encontrará deslocado para um dos lados (Figura 22(b)), o que pode ser interessante para um veículo projetado para andar num circuito “oval”. descendência

Figura 22 - Centro instantâneo de Rotação para dois desenhos de

suspensão. Milliken 1995.

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Variação de Ângulo de Camber

Analisando a suspensão formada por duas estruturas e forma de “A” pode-se observar que a posição do Centro Instantâneo de giro está relacionada com duas coordenadas: a distância do solo e da roda (Figura 23). Se substituirmos o sistema mecânico desta suspensão por uma barra simples equivalente que está conectada no eixo da roda e no CI a variação do ângulo de camber, que é o ângulo de inclinação da roda com o solo, será menor no segundo caso para uma mesma variação de deslocamento da roda.

Figura 23 – Variação de camber. Milliken, 1995.

A suspensão descrita com duas estruturas em forma de “A” pode apresentar a parte superior menor que a parte inferior. Para um deslocamento da roda na direção vertical a barra superior desloca-se mais que a barra inferior na direção horizontal, acentuando o ângulo camber. Este efeito e suas vantagens podem ser facilmente compreendidos através de uma análise da Figura 24.

Figura 24 - Variação do ângulo de camber com o deslocamento da roda

em relação à carroceria. Aird, 1997.

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Distância do Centro de Rolagem ao Solo

O Centro de Rolagem (roll center) é o ponto onde é aplicado o momento atuante entre as massas suspensas (corpo do veículo) e não suspensas (suspensão, partes do sistema de freio, rolamentos, rodas, etc.). Quanto maior for distância do CR do solo, e, conseqüentemente, menor a distância do CG, menor será o momento de rolagem. O produto da força lateral aplicada sobre o corpo do veículo x a distância do solo é chamado de momento de contra-rolagem.

Se o Centro de Rolagem está acima do nível do solo a força aplicada na base do pneu gera um momento no CI (Figura 25 e 26). Este momento provoca um deslocamento da roda para baixo e eleva o corpo do veículo (jacking). Se o CR está abaixo do nível do solo a força lateral aplicada sobre a roda provocara uma reação no CI, que fará o corpo do veículo deslocar-se para baixo.

Figura 25 - Movimento do corpo do veículo relacionado com a

posição do CR. Milliken, 1995.

Figura 26 – Levantamento da carroceria em veículos com

semi-eixo oscilante. Gillespie, 1992.

Scrub

O scrub é uma variável que está relacionada com a análise realizada através da vista frontal e é o movimento relativo com o solo resultante do deslocamento vertical (Figura 27). O scrub é função do comprimento real das barras da suspensão, e do comprimento relativo, que está associado a posição do CI da vista frontal, assim como da altura do CI em relação ao solo.

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Figura 27 - Escorregamento em função da altura do CI em relação ao solo. Milliken

1995.

Se, na vista frontal, o CI não estiver posicionado no nível do solo o valor do scrub será elevado. Se o CI estiver posicionado abaixo do nível do solo e dentro do veículo o srcub ocorrerá para fora. Se o CI estiver posicionado acima do nível do solo e dentro do veículo o scrub ocorrerá para dentro.

Quando um veículo desloca-se em linha reta num terreno irregular a roda não seguirá exatamente a mesma direção (Figura 28).

Figura 28 - Trajetória da roda com elevado scrub. Milliken 1995.

Se o scrub for significativo uma instabilidade lateral pode ser gerada devido à alteração do ângulo de deslizamento do pneu (tire slip angle), que é a resultante das velocidades laterais associadas ao scrub e da velocidade de deslocamento do veículo. A variação deste ângulo está associada a um incremento no amortecimento viscoso dos pneus.

Tipos de Suspensão Independente

Braço em Balanço Positivo

Este tipo de suspensão é denominado Braço em Balanço Positivo (Positive Swing Arm Geometry) por que o CR está localizado acima do solo (Figura 29).

Figura 29 - Suspensão de Barra Curta e Longa. Gillespie, 1992.

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Quando o veículo faz uma curva o CI da roda externa move-se para baixo

devido ao deslocamento relativo entre a roda e o seu corpo, enquanto que o CI da roda interna move-se para cima. Os movimentos em direções opostas das rodas em relação ao corpo do veículo provocam uma assimetria no desenho da suspensão. A reação da força lateral que atua na roda externa (força dominante numa curva) faz com que o corpo do veículo sofra um movimento descendente, enquanto que reação da força resultante na roda interna provoca um movimente ascendente. Em conseqüência disto a reação das forças laterais que atuam no veículo provoca um movimento descendente de seu corpo, reduzindo a altura do CR.

Braço em Balanço Negativo

Conforme pode ser visto na Figura 30, na suspensão com Braço em Balanço Negativo (Negative Swing Arm Geometry) o CR está localizado abaixo do nível do solo.

Figura 30 - Braço em Balanço Negativo. Gillespie, 1992.

Braços Paralelos Horizontais

Na suspensão de Braços Paralelos Horizontais (Parallel Horizontal Links) o CI está localizado no infinito. A linha que contém o ponto de contato do pneu com o solo e o CR é paralela as barras da suspensão. Neste caso o CR localiza-se na linha central e no solo, conforme pode ser visto na Figura 31.

Figura 31 - Suspensão de Barras Paralelas Horizontais. Gillespie, 1992.

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Braços Paralelos Inclinados

Na suspensão de Braços Paralelos Infinitos (Inclined Parallel Links) o CI localiza-se no infinito e acompanha a inclinação das barras da suspensão. O CR encontra-se na linha central e acima do solo, conforme Figura 32.

Figura 32 - Barras Paralelas Inclinadas. Gillespie, 1992.

McPherson

A suspensão do tipo McPherson foi patenteada em 1946 por Earle Steele MecPherson e foi utilizada em 1949, na França, na dianteira do Ford Vedete de tração traseira. No Brasil foi introduzida através do Simca Chambord.

A suspensão McPherson é a combinação de um suporte com o braço inferior, conforme pode ser visto na Figura 33. O CR está localizado na linha central do veículo com a intersecção da linha que contém o CI e o ponto de contato do pneu com o solo. Num veículo convencional a posição do CI tende a afasta-se muito para a esquerda do ponto indicado no esquema representativo apresentado no desenho. Isto ocorre porque o amortecedor é montado com uma inclinação mais próxima do eixo vertical.

Figura 33 - Suspensão McPherson. Gillespie, 1992.

Este tipo de suspensão é muito utilizado atualmente na dianteira de veículo pequenos e médios com tração dianteira, por ser eficiente, de baixo custo, simples e leve. Geralmente é montado com molas helicoidais e amortecedores concêntricos, mas pode ser com barras de torção, lâminas, etc. Também é utilizada em automóveis com tração traseira, tais como o Porshe Boxster, o 911 e os BMWs. Apesar de ser pouco comum atualmente também pode ser montada na traseira, como no Uno da Fiat, que utiliza como elemento elástico feixe transversal de molas semi-elípticas.

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Uma característica deste tipo de suspensão é que o CI varia muito de posição durante a variação de curso da roda (subida e descida). Porém, este fato não é significativo para veículos utilizados em condições normais de uso.

Semi-eixo Oscilante

A Suspensão do tipo Semi-eixo Oscilante (Swing Axle) é formada, como o no diz, por um semi-eixo articulado numa das extremidades por uma junta homocinética (ou semelhante, tal como cruzeta, trizeta, etc.), conforme pode ser visto na Figura 34. O CI localiza-se na articulação interna e o CR no prolongamento da preta que contém o ponto de contato de pneu com o solo e o CI, até a linha média central.

Figura 34 – Suspensão independente com eixo em balanço. Gillespie, 1992.

Este tipo de suspensão apresenta o inconveniente de que o ângulo de camber é

alterado com o curso da roda, passando de positivo com a mola sem carga para negativo com a mola carregada. Motoristas pouco habilidosos que tendem a reduzir a velocidade tirando o pé do acelerador bruscamente (ou pior, freando) em curvas podem perder o controle do veículo. A rolagem da carroceria, associada ao torque aplicado pelo sistema de transmissão faz com que o carregamento da mola da roda traseira interna diminua, aumentando seu curso e, conseqüentemente, promovendo um aumento significativo do ângulo de camber. A força lateral aplicada na roda externa gera um momento que tende a fazer o ângulo de camber aumentar ainda mais, promovendo um levantamento da carroceria e uma diminuição da área de contato do pneu com o solo, até que a aderência seja insuficiente para permitir que o veículo faça a curva. Este tipo de acidente vitimou muitas pessoas nos Estados Unido com o modelo Couvair da GM. O clássico Mercedes 300 SL de 1954 também utilizava este tipo de suspensão. No Brasil este tipo de suspensão sempre foi utilizado em veículos com pouca potência tais como o VolksWagen Sedan, e na maioria de seus derivados, e no Gordini.

Vista Lateral da Suspensão do Tipo Braço em Balanço

A geometria da vista lateral da suspensão de Braço em Balanço controla os movimentos e forças que ocorrem na dianteira e na traseira do veículo, influenciando em parâmetros associados, além da trajetória da roda, aos movimentos ascendentes e descendentes. Normalmente o CI posiciona-se atrás e acima do centro da roda dianteira, e a frente e acima do centro da roda traseira (Figura 35).

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Figura 35 - Vista tridimensional da suspensão independente. Milliken, 1995.

Usualmente se utiliza a preposição “anti” (antimergulho, antilevantamento, etc.) para definir efeitos controlados pela geometria da suspensão que estão relacionados com as forças verticais atuantes entre as massas suspensas e não suspensas (que são reações das forças longitudinais aplicadas ao corpo do veículo).

Quando se acelera um veículo com tração traseira, normalmente, ocorre uma compressão da suspensão traseira (abaixamento da traseira da carroceria, squat). Conseqüentemente, a suspensão dianteira sofre um carregamento menor, provocando o levantamento da dianteira. Isto ocorre devido a tendência do corpo do veículo girar em trono do seu CG. A combinação destes efeitos provoca um giro no sentido transversal, dando a impressão de que o veículo esta sendo “lançado” para frente (pitch). O desenho apropriado da suspensão pode controlar a carga transferida para as molas e minimizar o abaixamento e o lançamento do veículo.

É obvio que os recursos utilizados para minimizar o levantamento ou abaixamento da carroceria do veículo, tanto na dianteira como na traseira, não vão influenciar na grandeza da força aplicada no solo pelas rodas (numa análise quase estática). A força longitudinal gerada pela aceleração (positiva ou negativa) transferida para a suspensão do veículo é função da Distância das Rodas (l), Altura do CG (h), e da Força de Frenagem (massa X ax/g), conforme pode ser visto no diagrama de corpo livre mostrado na Figura 36, que representa um veículo sendo desacelerado por uma força aplicada em seu centro de gravidade.

No primeiro caso

hg

aml∆F x ××=×

lh

g

am∆F x ××=

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Figura 36 - Diagrama de corpo livre de veículo em desaceleração. Milliken, 1995.

A geometria da suspensão antimergulho altera o carregamento sobre as molas e conseqüentemente o comportamento do veículo. A Figura 36(b) mostra o diagrama de corpo livre de um veículo onde o sistema de freios foi acionado causando sua desaceleração. Pode-se observar que surge uma componente de força vertical na roda. Como o somatório das forças em ambos os casos deve ser igual, a força que surge no segundo caso é subtraída das molas da suspensão (antimergulho). A distribuição de quantidade de frenagem para cada roda determina a força longitudinal que está relacionado com a força de reação vertical. A percentagem de antimergulho na dianteira é dada por

x y x

x

m(a /g)(% freio diant.)(CI -CI )% antimergulho =

m×(a /g)×(h/l)

F(% freio diant)(tan )(h / l)= φ

Para calcular o antilevantamento da traseira substitui-se a tanφF por tanφR e a percentagem de frenagem na dianteira pela na traseira.

Se a suspensão é 100 % anti- mergulho todo o carregamento que é transferido pelas forças longitudinais é aplicado sobre os braços da suspensão e nenhuma carga é aplicada sobre as molas. Neste caso a suspensão não sofre nenhuma deflexão quando o veículo acelera ou freia.

Se a suspensão é zero % anti-mergulho, todo o carregamento é aplicado sobre a mola e deflexão da suspensão é proporcional ao carregamento exercido sobre a roda. Nenhum carregamento vertical é transferido para as barras da suspensão. Observando as equações que descrevem a % anti-mergulho pode-se concluir que a resultante será zero quando a tanθ (ou φ) for igual a zero, ou seja, quando θ (ou φ) for igual a zero.

Análise realizada software Suspension Analyser de dois tipos de suspensão, onde são mostrados o Centro Instantâneo de Giro da suspensão na vista frontal e o e o Centro de Rolagem da carroceria.

A seguir seguem algumas imagens da tela de apresentação do programa Supension Analyser que mostram como desloca-se o CI e o CR de dois tipos distintos de suspensão.

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Suspensão do tipo Braço em Balanço.

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Suspensão do tipo McPherson.

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Sistema de Direção

Introdução

Um motorista experiente, após dirigir um carro (motocicleta, ou bicicleta), é capaz de descrever algumas característica de seu “temperamento”, onde alguns adjetivos serão utilizados para descrever seu “espírito”, tais como: dócil, suave, agressivo, arisco,... Falar sobre o “espírito” de um veículo parece não ser uma tarefa técnica. Porém, existe algo que caracteriza cada modelo de forma única. Uma bicicleta européia do anos 50, com sua capacidade de fazer curvas suaves e harmoniosas pode oferecer a sensação de se “andar nas nuvens”. Já uma bicicleta, ou motocicleta, projetada para percorre trilhas com curvas acentuadas em locais com pouco espaço parece ser “arisca”, mudando de direção rapidamente.

Esta “sensação” que um veículo gera quando é conduzido é o resultado do funcionamento de todas as partes do veículo, e, certamente, o motor e a suspensão tem grande influência. Porém, provavelmente, o sistema de direção é o que contribua com a maior parcela, que, conforme sua geometria, vai definir se vamos andar nas nuvens ou não.

Assim como ocorreu com vários sistemas mecânicos utilizados em automóveis, o sistema de direção também veio da carroça (de quatro rodas), que utilizava um eixo rígido fixado através de uma articulação. Porém, este sistema rudimentar não era eficiente para veículos que se deslocam com velocidades superiores a de um cavalo.

A mecânica ligeira dos eixos e esferas do final do século XIX foi utilizada na construção dos triciclos, que possuíam duas rodas traseiras e uma dianteira com função de dar direção do veículo. As bicicletas foram as grandes responsáveis pelo desenvolvimento da mecânica leve e precisa, e naturalmente seu sistema de direção, formado por uma forquilha, ou garfo, foi utilizado nos triciclos. Alguns automóveis com quatro rodas chegaram a utilizar este sistema de direção.

O nascimento dos automóveis como parte do desenvolvimento das técnicas utilizadas na construção de bicicletas foi um processo espontâneo. A Figura 37 mostra uma automóvel Benz, produzido em 1897, pertencente ao Museu do Automóvel Clube da Argentina. Neste veículo pode se ver os dois garfos sobre as rodas dianteiras acionados por alavanca do tipo timão, que formam o sistema de direção.

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Figura 37 - Benz 1897. Museu do Automóvel Clube da Argentina.

Naturalmente o motor, os pneus, a suspensão, o sistema de direção e todas as partes do automóvel evoluíram para proporcionar conforto e segurança a carga e aos passageiros.

No texto que segue será apresentada a teoria sobre cada parte do sistema de direção, e como influenciam no comportamento do veículo. Cabe colocar aqui que o objetivo deste texto é o de apresentar teoria sobre geometria do sistema de direção, sendo assim não será apresentado detalhes sobre a construção mecânica de suas partes.

Definição

O sistema de direção, como o próprio nome diz, tem a função de direcionar o veículo durante seu deslocamento. Um bom sistema de direção deve ser fácil de operar, confortável, estável, confiável, preciso e não deve transmitir para o volante as forças aplicadas nas rodas, geradas durante o deslocamento do veículo. Estas forças podem ser resultantes da irregularidade do terreno, verticais, ou resultantes da tendência de seguir em linha reta durante um trajetória curvilínea, laterais, ou ainda resultantes de frenagens e de tração (se o veículos for de tração dianteira).

O sistema de direção transforma o movimento circular do volante no movimento circular do eixo da roda unido ao pino mestre (eixo de giro da roda que direciona o veículo).

Uma parte do sistema de direção está acoplada diretamente na base que possui o eixo da roda (ponta de eixo), que por sua vez oscila com o movimento da suspensão. Isto faz com que estes dois sistemas, suspensão e direção, não tenham limites bem definidos. A função do sistema de direção é controlar a rotação da roda sobre o pino mestre, não permitindo que sua posição seja alterada durante o deslocamento do veículo, nem mesmo quando as molas do sistema de suspensão são comprimidas.

Um bom exemplo da fusão do sistema de direção com a suspensão é mostrado na Figura 38, onde pode-se ver um veículo no qual o eixo principal, neste caso o correspondente ao pino mestre, contém a mola e o amortecedor do sistema de suspensão. Provavelmente este tenha sido o primeiro modelo de suspensão do tipo McPherson, muito utilizada atualmente e que será analisada mais adiante.

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Figura 38 - Protótipo construído por Emile Claveau, 1926. Ludvigsen, 2000.

Um sistema de direção simples é composto pelo volante, que é rotacionado pelo condutor para alterar a direção do veículo. No volante é fixa a coluna de direção que transmite o movimento para um parafuso sem fim acoplado a uma cremalheira (ou para uma caixa de direção com um par de engrenagens) que transforma o movimento circular e linear. Nas extremidades da cremalheira é conectado através de uma articulação o braço de direção, que, por sua vez, transmite o movimento para as rodas, que giram em torno do eixo principal, transformando novamente o movimento linear em rotacional.

Na Figura 39 pode-se ver alguns exemplos de sistemas de direção.

Figura 39. Exemplos de sistema de direção. Gillespie, 1982.

O sistema cremalheira e pinhão ou a caixa de direção com um par de engrenagens são a primeira redução entre o movimento de rotação do volante e da roda, que geralmente possui uma relação de 3 cm de deslocamento para cada giro completo do volante. Em veículo de passeio a redução total é de aproximadamente 15:1 e em caminhões é de 36:1.

Para acionar o sistema de direção é necessário que um torque seja aplicado no volante, desta forma, a forçada aplica é inversamente proporcional ao seu diâmetro. Uma pequena alteração no tamanho do volante faz com que a resistência ao movimento do sistema de direção seja alterada. Quando a largura ou o diâmetro do pneu é alterada esta a resistência também é alterada, porém, para que este fenômeno seja compreendido é necessário que outros temas seja explanados, conforme veremos adiante.

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Geometria de Ackermann

Quando um automóvel percorre um trajetória curvilínea suas rodas rolam sobre duas circunferências concêntricas. Para que nenhuma roda sofra escorregamento lateral é necessário que a dianteira interna gire um ângulo, δi, maior que o da roda externa, δo, já que o raio da circunferência interna é menor que o da externa, conforme pode ser visto na Figura 40. Esta sistema foi patenteado em 1817, por Rudolf Ackermann.

Figura 40. Geometria de Ackermann. Gillespie, 1982.

Analisando os triângulos da figura pode-se concluir que:

1o

Ltan

t(R )2

−δ =+

1i

Ltan

t(R )2

−δ =+

A geometria de Ackermann pode ser obtida, aproximadamente, através da

conexão das extremidades de uma barra nas articulações da ponta de eixo formando um trapézio, conforme pode ser visto na Figura 41. Neste caso, um prolongamento das barras engastadas na base da ponta de eixo devem interseccionarem-se no ponto sobre o qual o veículo vai girar durante o deslocamento sobre uma trajetória curvilínea. No veículo representado no esquema da Figura 40 este ponto é o (centro) do eixo traseira.

Figura 41 - Arranjo de barras de forma trapezoidal. Gillespie, 1982.

A geometria de Ackermann é utilizada onde as aceleração laterais são pequenas, como em automóveis de passeio. Para veículos de competição onde o deslizamento das rodas é acentuado este tipo de geometria não é recomendável. Por exemplo, num veículo que tende a deslizar as rodas dianteiras numa curva, em altas velocidades, a roda dianteira interna pode sofrer tanto deslocamento lateral que a pouca aderência gerada pode apenas freia-lo. Nestes casos se utiliza um sistema onde

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as rodas direcionais movimentam-se paralelamente, ou inversamente ao movimento gerado pela geometria de Ackermann (Gillespie, 1982). A Figura 42 mostra estas configurações.

Figura 42 - Ackermann, paralela, e Ackermann invertido. Milliken, 1995.

Geometria do pino mestre do sistema de direção

As rodas direcionais de um automóvel são fixadas numa estrutura mecânica, a “ponta de eixo”, que possui dois eixos, um sobre o qual a roda gira promovendo seu deslocamento, e outro que fica posicionado na parte interna do veículo. Esta eixo permite que a ponta de eixo gire alterando a direção de deslocamento do veículo, é o “pino mestre” (kingpin). O pino mestre pode realmente ser um eixo que permite a rotação da ponta de eixo e, conseqüentemente, das rodas direcionais em relação ao corpo do veículo, ou pode ser uma linha que une duas rótula que geram exatamente o mesmo movimento. Nos veículos com suspensão independente o pino mestre é definido pela intersecção entre as articulações que conectam a ponta de eixo a suspensão. A Figura 43 mostra um esquema da vista frontal e lateral do eixo do pino mestre. Atrás

Figura 43. Vista frontal e lateral do pino mestre. Milliken, 1995.

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Na vista frontal, o ângulo formado entre o pino mestre e a linha horizontal é

chamado de “inclinação do pino mestre”. A distância entre a projeção do eixo principal no solo e a linha central do pneu chama-se “scrub”. A distância horizontal entre o eixo principal e o plano central do pneu, na altura do eixo da roda é o “spindle”.

Na vista lateral, o ângulo formado entre o pino mestre e a linha vertical é chamado de “caster”. A distância horizontal do eixo principal até o eixo da roda é chamado de “offset do pino mestre”. A distância entre a projeção do eixo principal no solo e da projeção do centro da roda no solo é o “trial” (Milliken, 1995).

A seguir serão descritos os componentes geométricos mais significativos do sistema de direção e de que forma estes influenciam no comportamento do veículo.

Ângulo de inclinação do pino mestre

Nos primórdios do desenvolvimento do sistema de direção muitas tentativas foram feitas, até que surgiu a forma que é utilizada atualmente, ou seja, a ponta de eixo com um pino mestre. No início o pino mestre era paralelo a linha média da roda e perpendicular ao solo. Isto faz com que o automóvel seja muito desconfortável de dirigir, já que as forças geradas pelas irregularidades do terreno tendem a fazer o com que a roda gire sobre o pino mestre. Esta tendência de giro está relacionada com o momento aplicado na ponta de eixo. A distância entre o ponto gerado pela linha de projeção do pino mestre no solo e o centro da área de contato do pneu com o solo é o comprimento do braço de alavanca, que multiplicado pela força aplicada na roda gera o momento aplicado sobre a ponta de eixo.

Com o objetivo de minimizar o este momento reduziu-se o braço de alavanca inclinando-se a roda para um lado e o pino mestre para o outro. A Figura 44 apresenta um sistema de direção que é um bom exemplo desta configuração.

Figura 44. Vista frontal do sistema de direção do Oldsmobile 1904.

Museu da Tecnologia da ULBRA

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Além de diminuir o torque aplicado sobre a ponta de eixo a inclinação do pino

mestre também restitui o alinhamento das rodas com o corpo do veículo. O movimento da roda que desalinha as rodas é governado pelo pino mestre, que inclinado, faz com que a linha média da roda descreva. Desta forma, quando o volante é rotado, o corpo do veículo é elevado, pois a roda tenderia a penetrar no solo. Numa curva, com as rodas estersadas o corpo do veículo é elevado aumentando sua energia potencial. Ao sair da curva o sistema de direção tem uma tendência de restituir a direção, retornando ao posição de menor energia.

O efeito de alinhamento das rodas proporcionado pela inclinação do pino mestre é mais acentuado em baixas velocidades (assim como o spindle length). Em altas velocidades o alinhamento é governado principalmente pelo trial.

Quando as rodas são esterçadas a inclinação do pino provoca um afastamento da parte superior e aproximação da parte inferior das rodas direcionais (a trajetória da linha média da roda forma um cone).

O “ângulo de inclinação do pino mestre” varia de 1° a 9°, sendo 5° um valor mais usual.

Ângulo de camber

O ângulo de inclinação da roda em relação ao solo é chamado de “ângulo de camber” e será positivo se as partes inferiores das rodas de cada lado se aproximarem e as superiores se afastarem. A expressão camber, de origem inglesa será utilizada neste texto por ser a mais popular; em espanhol é “caída” ,”despunte” ou “sopié”.

Nos automóveis antigos, além dos motivos citados anteriormente, o camber significativamente elevado também tinha o objetivo de compensar o carregamento do automóvel que provocaria a flexão do eixo da roda e conseqüentemente diminuiria o camber. Outro motivo é a tendência de que as estradas possuíam um perfil transversal curvilíneo e, teoricamente, um camber positivo aumentaria a área de contato do pneu com o solo, além de conservar a roda comprimida contara a ponta de eixo. A grande desvantagem do camber elevado é a tendência de diminuir área de contato do pneu minimizando a capacidade de absorção das forças laterais.

No automóveis atuais o camber das rodas dianteiras tende a ser levemente positivo. Na maioria dos casos com ângulos próximos a ½ grau, e a inclinação do pino mestre é quem é determinante na diminuição do braço de alavanca que gera momento aplicado na ponta de eixo. Quando se utiliza eixo rígido o camber é constante, porém para suspensão independente o camber varia com o curso da roda. Este comportamento é determinado pela geometria de construção da suspensão.

Nos veículos de competição o camber negativo é desejado por aumentar a área de contato do pneu com o solo em curvas onde as acelerações laterais são elevadas, possibilitando maior absorção das forças laterais.

A inclinação do pino mestre também é conhecida em português por “saída”, em espanhol por “salida” ou “inclinación”, em inglês por “kingpin inclination” ou “outwar slant”.

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Ângulo de caster

A expressão caster, apesar de ser de origem inglesa, acabou prevalecendo entre os técnicos de nosso país. O termo correspondente em português é “avanço” e em espanhol “avance”.

O “ângulo de caster” é o ângulo de inclinação lateral da linha central do pino mestre na vista lateral. Assim como a inclinação do pino mestre, faz com que a roda desloque-se para cima ou para baixo durante o esterço. Ao contrário da inclinação do pino mestre, este movimento é oposto nas rodas de cada lado, ou seja, oaumento do ângulo de camber tende a diminuir o efeito da inclinação do pino mestre. Se as rodas de um veículo com ângulo de caster positivo são esterçadas, a carroceria sofre uma rolagem, subindo do lado interno da curva, e descendo no lado externo.

Quando a roda é erterçada o ângulo de camber gerado pelo caster é favorável, ao contrário do efeito gerado pela inclinação do pino mestre. Se o caster é positivo a roda externa à curva o ângulo de camber tende a ser negativo (parte superior da roda desloca-se para o centro da carroceria), enquanto a roda interna tende a ser positivo.

O ângulo de caster faz com que o ponto correspondente à intersecção no solo da projeção da linha central do pino mestre posicione-se a frente do ponto correspondente ao centro da área de contato do pneu. Na vista lateral, a distância entre estes dois pontos é o “trail”. Um bom exemplo de seu efeito pode ser percebido na forte tendência de alinhamento dos rodízios de um carro de supermercado, ou de uma cadeira de computador.

As força de resistência ao arrasto aplicadas na área de contato do pneu com o solo, associadas com trail, geram momentos sobre o pino mestre, que tendem a restituir o alinhamento das rodas. Quanto maior o trail, maior será a força necessária aplicada ao volante para alterar a direção do veículo. Em automóveis com sistema de direção simples (não cervo-assistida), o trail pode ser bem próximo de zero. Sendo assim, valores elevados do ângulo de caster proporcionam uma direção firme. Se demasiado pequeno a direção não tem posição fixa, variando de um lado para o outro continuamente; se é invertido (negativo) a direção reage bruscamente, é dura e perigosa; se é excessivamente invertida o sistema de direção é incontrolável, desviando-se abruptamente para um lado podendo ainda provocar vibrações oscilantes conhecidas como shimmy (Guitián, 2001).

O ângulo de caster geralmente varia de 1° a 7° e, como seu efeito é regido pelas forças de arrasto da roda, seu efeito não é percebido em baixas velocidades, ao contrário da inclinação do pino. `usual utilizar-se o ângulo de caster inferior ao ângulo de inclinação do pino mestre.

Divergência e Convergência

Num automóvel, de tração traseira, onde as rodas dianteiras são paralelas, a força de resistência ao rolamento aplicada na área de contato dos pneus com o solo faz com estas tendam a girar para traz (se a área de contato do pneu projeção for interseccionar na metade interna pela linha central do pino mestre), provocando um carregamento dos pivôs e das barras do sistema de direção. O ajuste que posiciona as rodas numa determinada posição, de forma que o prolongamento de suas linhas médias convirjam para um ponto distante a frente do automóvel, pode eliminar o carregamento no sistema de direção. Este é o “ângulo de convergência” (toe-in).

Há poucos anos não existiam os equipamentos computadorizados que permitem a medição com exatidão do ângulo de convergência das rodas. Por tradição, nos dias

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de hoje ainda é comum se medir a convergência das rodas através de um método simples, onde mede-se a diferença entre distância da parte interna frontal e posterior do aro. Sendo assim a divergência pode ser expressa em graus ou em milímetros, variando, usualmente de 1 a 6 mm.

O torque aplicado sobre a roda pelas força de resistência ao rolamento ou de tração, e, na vista frontal, ao braço de alavanca que corresponde a distância entre a linha média da área de contato do pneu com o solo e projeção da linha central do pino mestre (scrub), definirão se a convergência vai ser positiva ou negativa. Quando um automóvel de tração dianteira acelera a força aplica na área de contato dos pneus com o solo faz com que a roda tenda a girar para dentro da carroceria, se o a projeção do pino mestre estiver posicionada na metade interna da área de contato, e para fora se a projeção estiver na metade externa. O contrário ocorrerá se a tração for traseira (Guitián, 2001).

O sistema de direção e a suspensão

O sistema de suspensão é composto por barras e articulações que permitem que a roda desloque-se para cima e para baixo em relação a carroceria do veículo de forma controlada. O sistema de direção também tem em suas partes barras e articulações que controlam a rotação da roda em relação ao pino mestre. A “barra de direção” (steering arm), junto com o pino mestre, é quem faz a conecção entre os dois sistemas, transmitindo o movimento da cremalheira para a ponta de eixo. O posicionamento desta barra é determinante no bom funcionamento do sistema. A Figura 45 mostra o esquema representativo de uma suspensão independente do tipo duplo A com sua respectiva barra de direção. Este tipo de suspensão é uma das mais utilizadas por ser simples e eficiente.

Figura 45 - Duplo A sobreposto. Milliken, 1995.

A barra de direção pode ser mal dimensionada com relação a articulação de fixação na cremalheira ou na articulação de fixação da ponta de eixo. Isto provocara um esterçamento indesejado durante o curso de subida ou descida da roda, ou seja, quando a suspensão se movimentar as rodas direcionais tenderam a sofrer uma convergência positiva ou negativa. A Figura 46 mostra como a barra de direção deve ser posicionada para evitar este efeito indesejado.

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Figura 46 - Posição da Barra de direção, vista frontal. Milliken, 1995.

Considerando a vista frontal do mecanismo de suspensão e direção como uma estrutura bidimensional, é possível obter uma excelente aproximação da posição das articulações da barra de direção. Isto pode ser feito com o usos das técnicas da determinação de movimentos de mecanismos formado por barras, utilizando ferramentas simples como régua e compasso. Porém, para uma solução exata é recomendável o uso de técnicas computacionais, já que o movimento da roda ocorre no espaço (3D).

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Definições

Ângulo de Camber, ângulo formado pela inclinação lateral da roda e uma linha vertical. Ângulo de Caster, ângulo de inclinação do pino mestre e uma linha horizontal. Centro de Rolagem, CR, ponto virtual de giro da carroceria do veículo durante um

movimento lateral. Centro Instantâneo de Giro, CI, (Instant Center, IC) ponto virtual de giro da suspensão

para o tempo tendendo a zero. Desvio (scrub), distância entre o ponto gerado pela interseção do pino mestre com o

solo e o ponto gerado pela linha perpendicular ao solo que contém o centro da roda na vista lateral. Também pode ser o movimento gerado pela base de contato com o solo da roda, na direção transversal ao veículo, associado ao movimento de ascendência e descendência da suspensão.

Pino mestre, (kingpin) eixo que permite o giro da ponta de eixo da roda dianteira permitindo que o veículo mude de direção.

Ponta de eixo, (knuckle), peça que recebe o pino mestre, o eixo propriamente dita e o braço do sistema de direção.

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Bibliografia

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Publishers & Wholesalers, 1997. Gillespie, T.D. “Fundamental of vehicle dynamics”, SAE, 1992. Guitián, M.,A. “Manual de Automóviles”, CIE inversiones Editorales Dossat, 54ª edição,

Espanha, 2001. Hünninghaus, K. “História do Automóvel”, Boa Editora Leitura Editora S.A., São Paulo. Pietsch,L.; Cavacanti,T. “Rodas”, Editora GB Rio Ltda, Rio de Janeiro, pg 41-45, 1962. Ludvigsen, K, “Battle for the Beetle”, BemtleybPublishers, USA, pg 190, 2000. Internet Samahá, Fabrício. “Estabilizador: as vantagens e os critérios para instalar” publicado

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benz.jpg