Dinâmica Veicular e Suspensão

Prof. Dr. Luís Carlos PassariniEscola de Engenharia de São Carlos

Conceitos Básicos de Dinâmica Veicular

• Dinâmica Veicular é o estudo das forças que agem sobre um carro em movimento.

• A dinâmica veicular é considerada sob dois aspectos:

1. rodagem - capacidade do veículo passar sobre as ondulações com suavidade para seus ocupantes.

2. comportamento dinâmico - capacidade do veículo acelerar, frear e fazer curvas com segurança.

os movimentos de giro básicos de um veículo

• guinada (yaw) • rolagem (roll) • arfagem (pitch)

• Para avaliar essas características são usados 3 princípios fundamentais:

1. isolamento do solo;

2. adesão do solo;

3. capacidade de curva.

isolamento do chão(road isolation)

• É a capacidade do veículo de absorver o impacto com o chão e/ou isolá-lo da cabine de passageiros.

• Permite que o veículo trafegue sem perturbação enquanto estiver percorrendo superfícies irregulares.

• Para que isto ocorra é necessário absorver a energia introduzida no sistema e dissípá-la sem causar oscilação indevida no veículo.

adesão à pista(road holding)

• É dada pela quantidade de contato dos pneus com a pista em linha reta e nas diferentes mudanças de direção, i.e., é a capacidade de grudar na pista.

• Mantém os pneus em contato com a pista, porque é a força de atrito entre os pneus e a pista que afeta a capacidade do veículo em andar, frear e acelerar.

• A transferência de peso de um lado para outro, de trás para frente e vice-versa reduz a adesão dos pneus com a pista.

• Para se conseguir adesão à pista, minimiza-se a transferência de peso.

medido em g’s

mergulho

• Quando um carro freia, sua inércia descarrega as rodas traseiras, transferindo o peso para as rodas dianteiras.

• O resultado disso é que a frente do carro inclina-se para baixo, em direção à pista.

agachamento

• Quando um carro acelera, sua inércia descarrega as rodas dianteiras, transferindo o peso para as rodas traseiras.

• O resultado disso é que a traseira do carro inclina-se para baixo, em direção à pista e a frente sobe.

capacidade de curva(cornering)

• É a capacidade do veículo em realizar curvas.

• Minimiza a inclinação da carroceria sob ação da força centrífuga durante a curva.

• Para realizar isso procura-se minimizar ou inverter a transferência de peso, transferindo o peso do carro do lado mais baixo para o lado mais alto.

• Rodando sobre uma pista regularmente plana, aparentemente nada pode dar errado:

1. os eixos das rodas movem-se paralelamente à pista

2. a carroceria move-se paralelamente à pista.

Por que é necessário a suspensão

trajetóriada carroceria

trajetóriado eixo da

roda

pista

• Não importa quão plana possa parecer uma pista, ela é um lugar muito ruim para empurrar mais de uma tonelada de metal a alta velocidade.

• Se a suspensão do carro for ruim, a carroceria acompanhará todas as irregularidades da superfíficie da pista.

1. desconforto para os passageiros;

2. esforço estrutural na carroceria: fissuras, trincas e rachaduras.

• Uma suspensão é ideal quando consegue isolar a carroceria das irregularidades da pista, ao mesmo tempo que mantém as rodas em contato com a pista.

1. conforto para os passageiros;

2. pouco esforço estrutural na carroceria;

3. boa estabilidade em curvas.

• A suspensão do carro, com todos os seus componentes, possibilita atender aos 3 princípios fundamentais da dinâmica veicular.

• A suspensão é um dos mais importantes sistemas do carro.

partes de uma suspensão

• Os três componentes fundamentais de qualquer suspensão são

i. massa (Mu);

ii. mola (Ks);

iii. amortecedores (B).

B Ks

Muy

f

• massa suspensa é a massa do veículo sustentada pela suspensão (molas).

• massa não suspensa é definida como a que fica entre a pista e as molas da suspensão.

massa suspensa e massa não suspensa

massa

suspensa

massa não

suspensa

representa a elasticidade do pneu

Mola

• Um dos componentes principais de uma suspensão de um veículo. O papel da mola é absorver de uma forma suave e confortável as irregularidades do piso.

• A mola pode ser helicoidal, de lâminas ou uma simples barra de torção.

• O tipo mais comum de suspensão utiliza molas helicoidais.

• A mola é um armazenador de energia.

• comportamento da mola:

• energia armazenada EK:

extensão

compressão

força

elongação

x

f

f = K ·x

EK =12K ·x2

x

f

K = constante elástica da mola.

x = elongação da mola.

• Outro tipo muito conhecido de suspensão é a de feixe de molas.

feixe de molas(laminas)

jumelo

grampo

assento do feixe(ponte)

chassi

mola mestra

olhete

• A mola é constituída da montagem de lâminas de aço temperado, de diferentes tamanhos, superpostas. As lâminas são mantidas unidas por meio de um espigão e abraçadeiras.

• Às vezes na suspensão é usado um feixe de molas transversal.

A ancoragem éfeita na carroceria

ou no chassi

barra de torção

• O elemento mecânico que desempenha o papel de "mola" pode ser também uma barra de torção.

• A barra de torção, é uma solução muito comum nos veículos todo-o-terreno.

barra estabilizadora

• Uma barra estabilizadora é, como o próprio nome indica, uma barra (de secção cilíndrica), que trabalha principalmente à torção e que se monta de modo a ligar os dois braços de suspensão de um mesmo trem (dianteiro ou traseiro).

• Qual a vantagem de ligar as suspensões?

barraestabilizadora

• Sempre que se executa uma curva a velocidade elevada existe uma tendência natural (devido à força centrífuga) para a suspensão do lado de fora da curva ficar sobrecarregada enquanto a de dentro fica com pouca aderência ao solo.

• Esta tendência provoca uma rolagem natural do carro e prejudica fortemente o comportamento dinâmico do mesmo.

• A barra estabilizadora procura reduzir este efeito.

• A função da barra estabilizadora é obrigar a roda interior a ficar mais "agarrada" à estrada.

• A barra apresenta uma geometria em forma de alavanca que ao ser torcida devido à compressão da suspensão externa à curva exerce um força de compensação na suspensão interior que a pressiona na direção do solo.

• Resumindo, a barra estabilizadora reduz a rolagem do veículo em curva, melhorando o comportamento dinâmico do automóvel e logo contribuindo para uma melhor segurança ativa.

• Em contrapartida, torna as suspensões menos independentes prejudicando, de certa forma, o conforto que o veículo oferece ao passageiros.

barras estabilizadoras

• A suspensão ideal deveria ter uma mola tal que absorveria um choque brusco e retornasse à sua posição inicial dissipando rapidamente a energia absorvida.

a estrutura mantém sua

posição

• Na realidade não há uma mola assim. Se a suspensão do veículo fosse equipada apenas com molas, o resultado não seria muito agradável.

• Para dissipar a energia absorvida pela mola é necessário usar o amortecedor.

• O amortecedor é montado “em paralelo com a” mola.

Amortecedor

• A suspensão de um automóvel proporciona uma ligação confortável e eficiente entre as rodas e a carroçaria.

• O amortecedor é o componente mecânico da suspensão que permite parar as oscilações provocadas pelas molas da suspensão.

• Caso os amortecedores não existissem, sempre que uma das rodas passasse sobre uma irregularidade, a mola oscilaria indefinidamente. Esse aspecto acabaria por ser desconfortável para os ocupantes do veículo e, sobretudo, prejudicial no capítulo da estabilidade dinâmica.

• Basicamente um amortecedor é constituído de um cilindro fechado e um embolo (pistão) que pode ser mover dentro ele e um fluído.

• No entanto, isso não é suficiente para criar um efeito de amortecimento no embolo do amortecedor. O fluido dentro do cilindro não tem como passar de uma câmara para outra.

câmara

• São feitos orifícios para comunicar uma câmara com a outra.

• Dependendo do diâmetro dos orifícios e do fluído operante, será necessáirio uma certa força para movimentar o embolo. O fluído levará algum tempo para passar de uma câmara a outra e é capaz de absorver uma força brusca ou um impacto.

(a) (b)

• comportamento do amortecedor:

ciclo de

extensão

ciclo de

compressão

força

velocidade

v

f

f = B · d x

dt= B ·v

x

f

• simbologia:

B = constante de amortecimento.

• Quando adicionamos mola e amortecedor o resultado é bem interessante:

• Figura de mérito de uma suspensão:

B Ks

Muy

f

frequência natural ωn:

fator de amortecimento ζ:

ωn Ks

Mu

ζ B2 Ks ·Mu

-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0.91

0.96

0.99

0.220.420.60.740.840.91

0.96

0.99

0.511.522.5

0.220.420.60.740.84

Lugar das Raízes

eixo real

eixo

imag

inar

io

ωn = cte

• Influência do fator de amortecimento ζ no desempenho da suspensão.

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3-4

-2

0

2

4

6

8Respostas para Diferentes Fatores de Amorteci/o ζ x Tempo

tempo - [seg]

saíd

a d

o s

iste

ma

y(t)

ζ = 0,2

ζ = 0,5

ζ = 1

ζ = 2

B Ks

Muy

f

f é feito uma entrada impulsiva

t

∞

δ(t)

f(t)

• Surgiu uma mania entre os consumidores que é a colocação de suspensão a ar no lugar da suspensão original.

• A suspensão a ar é um sistema onde são retiradas as molas do veiculo e colocadas bolsas de ar, com um sistema elétrico pneumático. Pode-se regular a altura do veiculo num simples toque de botão.

• Veja o vídeo e tire suas conclusões. Além disso, tal prática fere a Resolução 262 do CONTRAN.

• As suspensões são classificadas em independentes ou não.

Tipos de suspensões

• Entre as independentes temos:

i. MacPherson ou McPherson;

ii. Double Whisbone;

iii. Trainling-arm;

iv.Twin I-Beam;

v. Moulton rubber;

vi.Transverse leaf-spring.

• Estes tipos são usados na suspensão dianteira

suspensão independente

• Tipo de suspensão em que não existe qualquer ligação mecânica entre as duas rodas de um mesmo eixo.

• Entre as suspensões dependentes temos:

i. eixo rígido, feixe de molas;

ii. eixo rígido, molas helicoidas;

iii. beam axle;

iv.4-bar (quatro barras) e suas derivadas;

• Estes tipos são usados na suspensão traseira

eixo rígido

• Tipo de suspensão em que as duas rodas do mesmo eixo (normalmente o eixo traseiro) se encontram rigidamente ligadas por um eixo.

• Este tipo de suspensão prima pela simplicidade e baixo custo mas compromete largamente o conforto e as potencialidades dinâmicas de um veículo.

MacPherson

• Desenvolvida nos anos 1930 por Earle S. MacPherson (GM) baseando-se em outros projetos europeus.

• Usada na suspensão dianteira.

• Geralmente é tida como suspensão tipo independente.

• É o tipo mais utilizado, principalmente nos carros de origem européia.

• É muito simples.horizontal vertical

• O sistema basicamente compreende de uma estrutura combinada de mola e amortecedor, que é pivotada sobre uma junta esférica (pivô da suspensão) no braço inferior.

• A parte superior pode receber um rolamento.

Double wishbone tipo 1 e tipo 2

• O braço inferior recebe a maior parte da carga (tipo 1). No tipo 2 é o contrário.

• O sistema é bi-pivotado. A geometria da suspensão remete a um paralelogramo e quando se move gera um movimento de esfregar chamado de scrub.

• Há mais dois movimentos da roda em relação à carroceria quando a suspensão trabalha: convergência e cambagem. Estes movimentos são aqueles que provocam desgaste dos pneus.

coil spring - tipo 2ou duplo “A”

coil spring - tipo 1ou duplo “A”

pivôs

Double wishbone multilink

• Na multilink é a variante mais recente.

• Cada braço do “A” é um elemento separado. A geometria da suspensão é alterada quando ela trabalha. Isso a torna a melhor em termos de adesão à pista.

• O sistema de pivôs é mais complexo.

• O amortecedor e a mola são montados separadamente.

multilink

topo lateral

suspensão trailing-arm

• Trabalha exatamente sobre o mesmo princípio da suspensão whisbone tipo 1. A diferença é que seus braços trabalham paralelamente ao chassi do carro.

• Essa geometria é ultrapassada é não é mais usada porque ocupa muito espaço. Porém, essa geometria não padece dos problemas dos movimentos laterais da wishbone.

suspensão Twin I-Beam

• Foi introduzida pela Ford em 1965 e foi usada quase que exclusivamente na série de caminhões e camionetes da série F.

• A Ford alegava que esta suspensão se comportava como uma suspensão independente capaz de lidar com as cargas pesadas de seus caminhões. Porém, num caminhão vazio, passar por sobre uma tartaruga com este tipo de suspensão é como passar numa lombada com pernas de pau.

Anúncio da Ford F100/F150 - 1965

suspensão Moulton rubber

• Nesta suspensão, uma massa de borracha trabalha como uma mola.

• Foi projetada em 1959 por Alex Multon, da equipe de projeto do Mini Cooper original. A suspensão traseira do Mini também recebeu este tipo de suspensão, só que neste caso, transversalmente.

• Desenho compacto e simples de operar e manter.

• Hoje é muito utilizada em bicicletas mountain bikes.

Moulton rubber

suspensão transverse leaf-spring

Tras. Corvette C5

• É uma combinação da Whisbone com um feixe de molas que normalmente é encontrado em suspensões traseiras.

• A aplicação mais conhecida é no Corvette da GM. O feixe de molas é montado transversalmente através do carro. Suas extremidades são ligadas às bandejas inferiores. O centro da mola é montado no subchassi da frente. Não se sabe a escolha por ela foi motivada por custo ou desempenho. O fato que este sistema é bem raro.

bandeja

Funcionamento da suspensão independente transverse leaf-spring.

suspensão leaf-spring - eixo rígido

• Foi o sistema favorito nos EUA por décadas: simples e barato de produzir.

• A qualidade da dirigibilidade é questionável.

• O eixo motriz é preso nos feixes de mola e os amortecedores são presos diretamente no eixo.

• As extremidades dos feixes são presas diretamente no chassi assim como a outra extremidade do amortecedor.

Toyota Bandeirante

• Chassi e suspensão do Plymouth Fury 1958

suspensão coil-spring - eixo rígido

• É uma variante atualizada do tipo anterior. A idéia básica é a mesma, mas os feixes de molas foi substituído por molas helicoidais.

• Uma vez que os feixes de molas foram removidos o eixo motriz precisa ter apoios laterais por meio de um par de braços de controle.

• O sistema pode ser bastante compacto e ser adaptado facilmente sob uma área menor sob o automóvel.

Peugeot 203

ligado ao chassi

• Detalhamento da suspensão traseira do Peugeot 203.

suspensão beam axle

• Este sistema é usado em carros de tração dianteira. Aqui também é um sistema relativamente simples e barato.

• A barra diagonal serve para impedir movimentos laterais na viga que poderiam causar problemas desagradáveis de dirigibilidade.

viga

braço

barra diagonal

suspensão four bars (4 barras)

• Este tipo de suspensão pode ser usado na dianteira ou na traseira (bem mais frequente).

• A instalação da suspensão 4 barras paralelas é relativamente compacta, ideal para veículos com problemas de espaço. Ela opera sob o princípio do paralelogramo de movimento constante.

• A suspensão 4 barras triangulares opera sob o mesmo princípio e é ainda mais compacta.

triangular

paralelas

barra diagonal

estão sempreperpendicular ao chão

Ford Fordor Deluxe 1934

suspensão de Dion ou de tubo de de Dion

• É um tipo de suspensão traseira semi-independente.

• As rodas estão conectadas por um tubo telescópico. A trajetória da roda varia durante o trabalho da suspensão, As rodas sempre ficam paralelas entre si e perpendiculares à pista, não importa o que a carroceria fizer. A força de tração não muda.

• A massa não suspensa é menor porque o diferencial fica preso no chassi do carro e não na suspensão.

Alfa Romeo 6

tubo de de Dion

• Como desvantagem tem-se a necessidade de duas uniões flexíveis por eixo (maior complexidade e peso);

• Para trocar um disco de freio é necessário desmontar a suspensão inteira. porque os discos de freio são montados no diferencial.

• Se forem usadas molas helicoidais o sistema fica ainda mais complexo por causa da necessidade de barra diagonal e bandejas.

barra diagonal

• O camber representa a inclinação lateral que as rodas apresentam quando montadas num veículo. Em outras palavras, a existência de camber implica que se olharmos para as rodas, vistas de frente do veículo, o topo do pneu se encontra mais afastado do chassi do que a base.

• A existência de camber justifica-se, pois se a roda estivesse perfeitamente na vertical o peso do veículo tenderia a deformar a parte inferior do pneu.

Camber

camber neutro

camber positivo

camber negativo

convergência e divergência

• Convergência: posicionam as rodas do eixo direcional para que fiquem levemente fechadas na parte dianteira. Esse ângulo bem ajustado evita que as rodas oscilem lateralmente ("dancem"), prevenindo ainda o desgaste da banda de rodagem dos pneus em forma de escamas nas raias internas e na área do ombro do pneu.

• Divergência: ao contrário da convergência, posiciona as rodas do eixo direcional para que fiquem levemente abertas na parte dianteira.

convergência

divergência

Caster

• Se olharmos de lado para as rodas dianteiras de um veículo, concluímos que o sistema da suspensão que liga a roda ao chassi se encontra ligeiramente inclinado para trás face ao eixo vertical.

• Este aspecto é importante, pois faz com que, quando largarmos o volante, o veículo tenha tendência em manter as rodas a direito (isto é, apontadas para a frente).

• Resumindo, a barra estabilizadora reduz o adornar do veículo em curva, melhorando o comportamento dinâmico do automóvel e logo contribuindo para uma melhor segurança activa.

• Em contrapartida, torna as suspensões menos independentes prejudicando, de certa forma, o conforto que o veículo oferece ao passageiros.

Bibliografia

• Samahá, F.; Cartaxo, I. Monobloco e carroceria sobrechassi: vantagens e desvantagens, Consultório Técnico, 21.fev.2009. In: http://www2.uol.com.br/bestcars/ct2/chassi-monobloco.htm Acesso em: 13.out.2009.

• History of Automobile Body and Chassis, Car•Body Design, In: http://www.carbodydesign.com/articles/2005-04-13-chassis-history/2005-04-13-chassis-history.php. Acesso em 13.out.2009.

• Suspensão In:http://www.xl.pt/autopedia/susp_dir/suspensao.shtml. Acesso em 13.out.2009.