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Papo de Garagem

Tudo o que você precisa saber sobre suspensões automotivas | Parte 1: amortecedores, molas e barras estabilizadoras

Para muitos de nós a suspensão dos veículos é uma caixa preta. Rigidez de molas, carga de amortecedores, geometria de suspensão. Uma salada de peças e informações complicadas certo? Não mais jovem. Hoje nós iniciamos uma série que irá abordar detalhadamente a suspensão dos veículos e seus princípios, mas por enquanto vamos analisar cada peça separadamente.

 

Amortecedores

Ao contrário do que alguns pensam, não são os amortecedores quem suportam o peso do carro. Essa função cabe às molas. Os amortecedores controlam a velocidade de compressão e distensão das molas de forma a garantir que as rodas e pneus não fiquem saltando descontroladamente ao passar por irregularidades. Se você já dirigiu um carro com amortecedores ruins, sabe bem como é a sensação de estar andando sobre uma gelatina.

Se você conhece um pouco de mecânica de fluidos sabe que sempre há uma velocidade limite para o escoamento de um fluido, por mais que você adicione energia ao fluido o limite não se altera. E esta barreira está diretamente relacionada a viscosidade do fluido e a área de passagem para o escoamento. São estes fundamentos que dão aos amortecedores a capacidade para controlar a compressão e distensão das molas.

O óleo utilizado como fluido de controle foi desenvolvido especificamente para essa função, pois a sua viscosidade varia pouco em função da temperatura, mantendo o comportamento mais linear. Todo amortecedor possui óleo em seu interior, mesmo os ditos a gás na verdade usam o óleo como fluido de controle. A função do gás num amortecedor é manter o óleo pressurizado para elevar o ponto de cavitação além da temperatura normal de operação, evitando o decaimento dos amortecedores durante o uso mais severo. Assim como acontece numa panela de pressão, quando elevamos a pressão o ponto de ebulição de desloca para cima.

Diversas arquiteturas de amortecedores já surgiram na história, mas as que realmente se fixaram foram as duplo tubo e monotubo. Cada uma com suas vantagens e desvantagens. As estruturas de duplo tubo possuem dois tubos concêntricos que servem como reservatórios. O fluxo entre eles é controlado por um conjunto de válvulas e orifícios calibrados que ficam no fundo.

Estas válvulas podem ser ajustáveis (sim, aquele click que você ouve quando está ajustando seu amortecedor é a válvula abrindo ou fechando um pouco mais a sua passagem) ou terem uma área de passagem fixa. Ao contrário do que muitos pensam esse tipo de amortecedor ainda é bastante utilizado, tanto na indústria OEM quanto na aftermarket para desempenho.

Por terem a válvula de controle instalada no fundo, estes amortecedores sofrem limitações quanto a posição de instalação, aceitando no máximo quinze graus de inclinação. Quando abastecidos com gás estes amortecedores operam em baixa pressão, sendo utilizadas bolsas plásticas para conter o gás ou ainda o gás diluído no óleo, tecnologia desenvolvida por poucos fabricantes para fugir dos problemas de fadiga e rompimento das bolsas de gás.

Para utilização em alta performance e pistas os amortecedores monotubo são os mais escolhidos. Sua estrutura se caracteriza pela utilização de apenas um tubo e pelas válvulas de controle ficarem instaladas no pistão ou mesmo na haste do amortecedor. Há ainda um pistão divisor que separa as câmaras de óleo e gás. Aqui o gás tem a mesma função já citada acima, porém a pressão de trabalho é mais alta, permitindo ao amortecedor trabalhar em condições ainda mais severas. Por sua configuração com pistão divisor esse amortecedor pode trabalhar em qualquer posição, mas também por ela o curso máximo acaba sendo menor que o possível nos amortecedores de duplo tubo.

A arquitetura construtiva influi diretamente nas características operacionais do amortecedor. Podemos classificar os amortecedores de três formas de acordo com as suas características operacionais:

  • Linear: A resistência ao movimento aumenta linearmente em relação a velocidade de deslocamento do pistão. Estes amortecedores são bastante utilizados por manterem uma razão velocidade / força constante.
  • Progressivo: Neste caso a força de absorção aumenta com a velocidade, tendo assim a razão velocidade / força que se eleva progressivamente. Esse tipo de amortecedor não é comum tanto em carros de circuito quando de rally.
  • Regressivo: Esta classe de amortecedor apresenta uma resistência muito grande a movimentos mais lentos e praticamente nenhuma resistência aos movimentos de maior velocidade. Essas características são ideais para as pistas pois resistem a transferência de peso durante as curvas auxiliando no controle de rolagem, mas permitem que a suspensão copie uma zebra ou irregularidades da pista, por exemplo.

Amortecedores ajustáveis permitem apenas ajustes finos de características definidas previamente pelos fabricantes, por isso sempre é bom entrar em contato com o suporte técnico do fabricante para definir o melhor modelo antes da compra. Abaixo estão alguns conselhos que um amigo especialista do assunto me passou há alguns anos:

  • O ajuste de compressão controla a massa não suspensa, o seja a capacidade do pneu manter contato com o piso. Se você mantiver a compressão dura demais e pegar uma zebra ou costelas grandes na pista o carro vai simplesmente patinar sobre ela. No eixo traseiro isso pode causar a perda de aderência e uma bela rodada.
  • O ajuste de distensão controla a massa suspensa, rolagem, sobre esterço ou subesterço. Trabalhe a distensão em conjunto com as barras de torção para um carro mais dianteiro ou mais traseiro.
  • O ajuste dos amortecedores começa com pneus de alta qualidade, ou você irá trabalhar por horas no ajuste e não vai ter mudança nenhuma nos tempos de volta.
  • Se divirta muito ajustando o seu carro, não tome isso como uma tarefa árdua ou nunca conseguirá tirar o melhor dali (é clichê sim, mas é verdade).

Molas

Antes de tomar qualquer atitude, seja realista. Qual o verdadeiro propósito desse projeto? Seja objetivo e sincero, assim você terá resultados mais fiéis ao que você deseja. Se você está começando seu projeto a partir de um modelo que já roda nas ruas e não pretende fatiar tempos em uma categoria de campeonato, eu aconselho que você busque coilovers previamente ajustados para o seu modelo, pois assim você terá preocupação apenas com o ajuste fino. Porém se você faz parte da criação de algum projeto, bom… você tem um caminho mais longo pela frente.

Para quem está iniciando um projeto, a primeira preocupação é o modelo e geometria da suspensão (nós falaremos sobre ela no próximo post). Porém neste tópico nossa preocupação com a geometria recai sobre dois pontos. A vantagem mecânica do braço de suspensão e o ângulo de inclinação da mola em relação ao plano de deslocamento da suspensão. Vamos analisar cada um deles.

Pese se carro para descobrir qual a carga sobre cada eixo. Por exemplo um Golf Mk VII possui a seguinte distribuição de peso. Dianteira esquerda 418,2 kg, dianteira direita 409,6 kg, traseira esquerda 274 kg e traseira direita 276 kg. Depois disso precisamos descobrir a vantagem mecânica da suspensão.  Esta vantagem se dá pela alavanca formada entre o ponto de apoio (centro da bucha da bandeja de suspensão) e o ponto de aplicação da força (o centro do pivô). A carga neste caso é representada pela mola, que representa o ponto de resistência ao movimento, podendo ser chamada também de carga.

Para exemplificar, imagine que o braço de suspensão da imagem acima tenha 525 mm de comprimento entre o ponto de apoio e o ponto de aplicação da força (D1) e 425 mm de comprimento entre o ponto de apoio e o ponto de resistência (D2). A razão de alavanca é o resultado da divisão entre D2 e D1. Então:

Encontrada a razão de alavanca nós podemos calcular a força de resistência que deve ser gerada pela mola. A força aplicada é a massa suspensa (MS) multiplicada pela aceleração gravitacional (9,8 m/s²). A massa suspensa do carro é aquela que é suportada pela suspensão, ou seja, depois de pesar cada eixo, você deve subtrair o peso de todas as peças que fiquem abaixo do ponto de montagem da mola. Disco, pinça, pastilha, bandeja, buchas, barra anti-rolagem, homocinética, semi árvore de transmissão, rolamentos, roda e pneu.

Todo esse catatau de peças é chamado de massa não suspensa (MNS) do veículo e ela influencia a dirigibilidade de forma muito sensível, por afeta a dureza, tempo de resposta e frequência de trabalho da suspensão. Quanto menor a massa não suspensa, melhor para você e seu projeto. Digamos que a massa não suspensa da extremidade frontal direita do projeto seja de 35 kg e a massa total é de 220 kg, então a massa não suspensa tem 185 kg. Multiplicando a massa pela aceleração gravitacional temos uma força de 1813 Newtons. Agora podemos descobrir qual a força de resistência que deve ser gerada pela mola para suportar o peso do veículo

Quando uma força é aplicada em ângulo ela pode ser decomposta em dois ou mais vetores. No caso das molas de suspensão a força (resistência ao movimento) aplicada ao deslocamento da roda é menor, pois ela é um dos vetores de decomposição do movimento da suspensão. Sendo assim a força aplicada pela mola deve ser maior que a força necessária para a sustentação da carga aplicada ao eixo. Em algumas literaturas este vetor pode ser chamado de fator de correção de ângulo e o cálculo é feito da seguinte forma.

Encontrada a força de resistência da mola agora você deve selecionar qual a mola que melhor atende seu projeto partindo da constante elástica (aquela mesma que você viu nas aulas de física). A constante é definida pela quantidade de força necessária para deformar a mola em um metro. Por exemplo, para comprimir uma mola em 10 mm nós aplicamos uma força de 100 N, isso quer dizer que a mola tem uma constante de 10000 N/m. Diferentes constantes mudam perfil de resposta e altura da suspensão, não esquecendo que esta escolha deve ser feita levando em conta o tipo de amortecedor que será utilizado.

Feitos todos os cálculos você encontrou um norte para a escolha, mas esse é só o começo do caminho. Para o melhor ajuste devem ser feitos testes, ou seja, o feeling do piloto e os tempos de volta é quem vão determinar qual o melhor conjunto e acerto.

Por isso lá em cima eu aconselhei o uso de kits já produzidos para carros de rua. Afinar uma suspensão começa com cálculos, passa pela pista e volta para a oficina para a troca do conjunto para uma segunda referência. Este ciclo se mantém até que se chegue a um consenso, só depois começam os ajustes finos.

A quantidade de testes pode ser restringida lançando mão de simuladores. O vídeo acima mostra uma plataforma de testes da BMW aquisitando dados durante o teste de estresse de suspensão da M5 E39. Neste teste a programação correspondia aos esforços do traçado norte de Nürburgring. Provavelmente você já viu este vídeo antes, mas é sempre bom ouvir estes pneus chorarem.

 

Barras anti-rolagem

Também chamadas de barras estabilizadoras, elas têm a função de reduzir a rolagem da carroceria devido durante o contorno das curvas. Elas interligam os braços de suspensão fazendo com que parte do movimento de um seja transmitido ao outro.

Por exemplo, quando você faz uma curva a esquerda a suspensão do lado direito é comprimida enquanto a do lado esquerdo se distende. Havendo uma barra interligando-as, parte da força de compressão é transferida para o lado esquerdo limitando a distensão e com isso a rolagem e transferência de peso. Assim a aderência dos pneus no lado interno da curva não diminui tanto.

Como as barras reduzem a rolagem da carroceria, em carros de rua elas são usadas para aumentar o conforto, pois usando-as os fabricantes podem lançar mão de molas mais macias. Mas quando o assunto são as pistas, as barras passam a auxiliar no ajuste fino da suspensão permitindo que você mude o comportamento para sub ou sobre-esterçante.

Barras estabilizados são consideradas elementos elásticos de torção. A deformação se concentra no eixo da barra, enquanto as sus extensões funcionam como braços de Torque. Quanto mais longo o braço menor será a resistência apresentada à torção. Por esse motivo grande parte das barras aftermarket possuem vários furos nas suas terminações. Variando o comprimento do braço você consegue ajustar finamente a “dureza” da barra. 

Para as pistas muitas vezes é necessária uma flexibilidade ainda maior no ajuste, daí conjuntos desmontáveis ou com lâminas de ajuste onde a posição da lâmina pode ser alterada para variar a resistência da barra. Acima temos o exemplo das barras utilizadas no Porsche CT3 Cup e seus respectivos gráficos de resistência.

 

Buchas de suspensão e juntas esféricas

 Com certeza você já ouviu algum amigo falar que trocou as buchas de borracha da suspensão por outras de poliuretano para melhorar o desempenho. Ele está correto nesse sentido, pois buchas de borracha flexionam com maior facilidade, além de serem coladas química ou mecanicamente ao seu anel externo. Com isso elas acabam funcionando como pequenas molas que alteram o coeficiente elástico final das molas principais da suspensão.

Além disso pela sua maior capacidade de deformação as buchas de borracha permitem maiores mudanças na geometria durante o movimento dos braços de suspensão, isso acaba gerando respostas menos precisas na mudança de direção. Mas não há só vantagens no uso de buchas de poliuretano. Ao contrário das buchas de borracha eles pedem manutenção periódica mais frequente com lavagem e injeção de graxa para redução de desgaste e ruídos.

Outro ponto de grande atenção é o momento da montagem. É necessário lubrificar generosamente as buchas para a montagem, pois elas são fixadas por interferência. Há também a sensação de maior dureza e aumento das vibrações do veículo. Uma parte das vibrações gerada pelos pneus que eram absorvidas pelas buchas de borracha passam a ser transmitidas para a carroceria. Ou seja, você tem mais um canal de comunicação com o veículo.

Existe ainda a opção do uso de juntas esféricas para reduzir as flexões da suspensão ao mínimo, porém esse tipo de equipamento é recomendado para uso apenas em pistas, visto que nas ruas temos altos níveis de detritos que causam danos rapidamente às faces tanto das esferas quanto dos assentamentos. Além disso a falta de deformação pode transferir mais carga para outras partes do conjunto como rolamentos e pivôs levando à substituição prematura destes itens.

 

Geometria de suspensão

No próximo papo vamos mais a fundo, verificando os pontos de fixação, comprimento de braços e diversos outros tópicos que trazem muito mais clareza para o funcionamento da suspensão. Vamos além do feijão com arroz e bife, preparem-se para uma refeição completa. Abraços e até a próxima.