07_Suspensoes_automotivas

ENG 03031 Dinâmica de Veículos

Suspensões automotivas 1

SUSPENSÕES AUTOMOTIVAS



• Proporcionar flexibilidade vertical de forma que os pneus possam seguir uma pista não uniforme, isolando o chassi das irregularidades da pista,

• Manter os pneus na direção apropriada e camber à superfície da pista,

• Reagir às forças produzidas pelos pneus –forças longitudinais (aceleração e frenagem), forças laterais (curvas) e torques de frenagem e aceleração,

• Resistência à rolagem do chassi,

• Manter os pneus em contato com a pista com a mínima variação de carregamento.

Funções primárias do sistema de suspensão

Eixos Sólidos

As rodas são montadas nos extremos de uma viga rígida, o movimento de uma roda étransmitida a roda oposta, se obtendo o mesmo esterçamento e camber.

Usados comumente na dianteira de caminhões pesados, onde é necessária uma grande capacidade de carregamento.

O camber das rodas não é afetado pela rolagem da carroceria. O alinhamento das rodas é mantido, minimizando o desgaste dos pneus.

Exemplo suspensão VW Fox,

Dianteira: Independente, tipo McPherson, com molas helicoidais e amortecedores hidráulicos.

Traseira: Interdependente com braços longitudinais e amortecedores hidráulicos.



Hotchkiss

É a forma mais comum de eixo motriz único.

O eixo é posicionado por feixes de molas semi-elípticas, sendo conduzido por um cardam com juntas universais.

As molas são presas ao chassi nos extremos e com o eixo no ponto meio.

O feixe de molas é talvez o mais simples e econômico de todos os sistemas utilizados em suspensões, mas apresenta como desvantagem sua excessiva flexibilidade vertical e rigidez lateral-longitudinal.

Eixos Sólidos (cont.)

Four link

Em resposta às carências apresentadas pelo modelo hotchkiss, o sistema four link apresenta braços inferiores que controlam esforços longitudinais e braços superiores que absorvem os torques de frenagem/aceleração e esforços laterais. São capazes de usar molas.

Embora mais caros que o feixe de molas, sua forma geométrica permite melhor controle da localização do centro de rolagem e performance anti-squat e anti-dive.

Suspensão traseira four-linkSuspensão traseira hotchkiss



Suspensão Trailing Arm

Um dos sistemas independentes dianteiros mais simples e econômicos. Apresenta braços de ligação paralelos e de igual comprimento, ligados às rodas em uma extremidade, e em barras torcionais na outra extremidade.

Essas barras torcionais que fornecem o efeito de mola na suspensão. Com seu desenho as rodas permanecem paralelas à carroceria e o camber segue o rolamento da carroceria.

Suspensão IndependenteSuspensão Dianteira SLA short-long arm

De funcionamento semelhante ao apresentado anteriormente, no entanto apresentam os braços inferiores e superiores com tamanhos diferentes. Os braços possuem a forma de “A”, sendo também conhecidos por A-armsuspension.

O desenho da geometria de uma suspensão SLA exige muito cuidado para a obtenção de uma boa performance. A diferença de tamanho entre os braços propicia camber melhor da roda externa, ao se opor ao camber pela rolagem da carroceria, mas piora o camber da roda interna.

Suspensão dianteira independente trailing arm

Veículos de passageiros e caminhões leves utilizam suspensões dianteiras independentes.

Suspensão dianteira braço A



MacPherson Strut

De estrutura similar ao SLA, apresentando como componente substituto ao braço superior um suporte telescópico, que incorpora um efeito amortecedor.

Muito utilizado em carros com tração dianteira, devido ao espaço que propicia. Apresenta como vantagem a capacidade de distribuir as cargas da suspensão na carroceria sobre uma área maior. Sua desvantagem é sua altura excessiva, que limita a diminuição da altura do capô.

Suspensão Independente (Cont)

Suspensão traseira Multi-Link

Caracterizam-se por apresentarem no mínimo quatro barras, com conexões esféricas, não apresentando momentos. Em alguns casos são utilizadas até mesmo cinco barras, para um maior controle nos ângulos da roda em curvas.

Seu uso permite grande flexibilidade no projeto para obter diversos movimentos da roda.

Suspensão Mac Pherson

Suspensão traseira



Suspensão Traseira Trailing-Arm

Utilizadas em carros de alta performance. Os braços absorvem forças longitudinais e momentos de frenagem, controlando a elevação e abaixamento do carro em acelerações e frenagens.

Tem a vantagem de reduzir o peso não suspenso ao montar o diferencial na carroceria.

Eixo Articulado

A maneira mais fácil de se obter suspensão traseira independente é através do sistema de eixo articulado. Utiliza-se um sistema de pivotamento central no eixo, que ocasiona grandes variações no ângulo das rodas durante as curvas. Isso constitui um grave problema que é a elevação do carro, gerando um maior momento que pode vir a ocasionar o tombamento do veículo.

Suspensão traseira

Suspensão traseira do Corvette

Suspensão Independente (Cont)



Princípios Anti-Squat e Anti-Pitch

+=

L

h

g

a

L

bWW x

r

O segundo termo do lado direito deve-se ao efeito de transferência de peso.

A transferência de peso para as rodas e para o eixo é feita principalmente através da suspensão.

O carregamento nas rodas traseiras de um veículo aumenta com a transferência de peso longitudinal que ocorre durante a aceleração.

A carga no eixo traseiro é dada por:

Assim, há o efeito implícito do Power Squat, que é a compressão na suspensão traseira de veículos com tração traseira.

Isto causará um alívio de carga na suspensão dianteira do veículo.

A combinação destes dois efeitos envolve o balanço -pitch- do veículo, constituído pelo jounce traseiro e rebound dianteiro.

O sistema de suspensão é projetado considerando a transferência de peso e para minimizar o squat e o pitch.



Análise do “Trailing Arm” equivalente

Princípios Anti-Squat e Anti-Pitch (cont)

Forças anti-squat são geradas no eixo motriz traseiro pela escolha da geometria da suspensão.

As suspensões são funcionalmente equivalentes ao trailing arm com relação à reação das forças e momentos no veículo.

Considera-se um eixo motriz restrito por braços de controle superior e inferior.

Fx: força motriz horizontal no solo.

Fz; reação vertical no solo causada pelas componentes verticais das forças dos braços de controle.

As cargas estáticas verticais são desconsideradas na análise.

Escrevendo a segunda lei de Newton nas direções vertical e horizontal, e o equilíbrio de momentos em torno de O,

Forças atuando no sistema de suspensão do eixo motriz

0coscos 2211 =−+ θθ PPFx

0sinsin 2211 =−− θθ PPFZ

0)cos( 1112 =− zPzFx θ

11

21 cosθz

zFP x=

Da primeira e última equação, e ainda considerando ângulos pequenos,



Análise do “Trailing Arm” equivalente (cont)

Forças atuando no sistema de suspensão no eixo motriz

2

1

2

2 cos

1

θ

+

=z

zF

P

x

Da primeira e última equação, e ainda considerando ângulos pequenos,

21

21

1

2

2211

tan1tan

sinsin

θθ

θθ

++=

+=

z

zF

z

zF

PPF

xx

ZAssim,

d

zetan

d

ezztan 2

212

1−

=−+

= θθ Da geometria,

Logo, a relação de forças resulta,

d

e

F

F

x

z =

A expressão é idêntica aquela obtida se os braços de controle são substituídos por um braço único (trailing) pivotado na carroceria na interseção projetada dos braços.

A interseção é um ponto de reação virtual onde a reação do torque dos braços da suspensão podem ser resolvidos em forças longitudinais e verticais impostas na carroceria do veículo.


dz

zezzzezezzzz

d

ze

z

zz

d

ezz

z

z

F

F

x

z

1

222211212

22

2

1

2112

1

2

−+−+−+=

−

++

−+=



Análise do “Trailing Arm” equivalente ..

Como qualquer suspensão é funcionalmente equivalente ao braço trailing, o desempenho anti-squat é avaliado considerando o diagrama de corpo livre do eixo motriz traseiro.

Ponto A: pivô imaginário na carroceria.

Como o braço é parafusado rigidamente ao eixo, apresenta a habilidade de transmitir uma força vertical à massa suspensa projetada para resistir o squat.


Eixo motriz único traseiroA carga por pneu consiste de um componente estático mais o dinâmico da transferência de carga na aceleração.

Com o peso do eixo desprezível, a soma de momentos em torno de A no equilíbrio fornece:

rrxxr

xrrsxrsA

Kd

eFa

L

h

g

WW

eFdWdWdaL

h

g

WdWM

δ=−=∆

=−∆−−+=∑ 0

Wrs: carga estática no eixo ou na suspensão∆Wr: carga na suspensão pela aceleraçãoKr: constante de mola na suspensão traseiraδr: deflexão da suspensão traseira (+ jounce)

A suspensão dianteira fica sujeita a uma deflexão para cima (rebound), pela transferência de carga longitudinal ∆Wf

ffxf KaL

h

g

WW δ=−=∆



+−=

+−=

L

h

Kd

e

KL

h

Ka

g

W

L

K

a

L

h

g

W

Ld

e

K

a

g

W

LK

a

L

h

g

W

L

frr

x

f

x

r

x

r

xP

1111

111θ

L

h

L

h

L

h

d

e2=+≈

Eixo motriz único traseiro (cont) O ângulo de pitch θp do veículo na aceleração éa soma das deflexões pela distância entre eixos.

f

x

r

x

r

xfr

PK

a

L

h

g

W

Ld

e

K

F

LK

a

L

h

g

W

LL

111+−=

−=

δδθ

Substituindo a força Fx igual a (W/g)ax temos

O ângulo de pitch θp zero resulta para,

f

r

K

K

L

h

L

h

d

e+=

Condição anti-pitch

total,


Forças atuando no eixo motriz traseiro durante a aceleração

rrxxr Kd

eFa

L

h

g

WW δ=−=∆∆∆∆

ffxf KaL

h

g

WW δ=−=∆

Considerando as deflexões:

Condição anti-squat, na suspensão traseira (sem jounce, deflexão para baixo) L

h

d

e=



+

−−=

L

h

Kd

re

KL

h

Ka

g

W

L frr

xP

1111θ

Tração traseira com suspensão independente

Existe uma reação do torque de tração que atua no sistema igual a Td=r Fx (r: raio do pneu).

O diferencial é montado na carroceria impondo um torque motriz através dos eixos meios.

0)( =−−∆−−+=∑ reFdWdWdaL

h

g

WdWM xrrsxrsA

Logo, o ângulo de pitch θp resulta,

f

r

K

K

L

h

L

h

d

re+=

−

Compensação total do squatch,

Anti-squatch de 100% na suspensão traseira corresponde a (e-r)/d=h/L.

Tração dianteira com eixo único

O ângulo de pitch θp resulta,

r

f

K

K

L

h

L

h

d

e−−=

Condição total de anti-lift,

++=

L

e

KL

h

KL

h

Ka

g

W

L ffr

xP

1111θ

O primeiro termo do lado direito é a condição anti-lift no eixo dianteiro, ao invés de anti-squat no eixo traseiro




Tração dianteira com suspensão independente

O ângulo de pitch θp resulta,

r

f

K

K

L

h

L

h

d

re−−=

−

Condição total de anti-lift,

−++=

L

re

KL

h

KL

h

Ka

g

W

L ffr

xP

1111θ

Tração independente nas quatro rodas

−++

−−−=

f

f

ffr

r

rr

xPd

re

KL

h

Kd

re

KL

h

Ka

g

W

L

)(1)()1(11 ξξθ

Seja ξ a fração da força de tração total desenvolvida no eixo dianteiro,

xxrxxf FFFF )1( ξξ −==

A mudança de carga em cada eixo é dada por,

ff

f

f

xxf

rr

r

rxxr

Kd

reFa

L

h

g

WW

Kd

reFa

L

h

g

WW

δξ

δξ

=−

+=∆

=−

−−=∆ )1(

A equação de pitch resulta,

Observa-se na equação que o desempenho anti-

squat e anti-pitch depende de uma combinação nas propriedades do veículo: geometria da suspensão, rigidez da suspensão e distribuição de forças trativas.

Caso um ou ambos os eixos fossem únicos, r=0 no eixo pertinente.




A transferência de carga longitudinal por causa da frenagem causa o balanço do veículo para frente produzindo o brake dive.

Os mesmos princípios usados para o cálculo da resistência da suspensão ao squat na aceleração são usados para a geração de forças anti-dive na frenagem.

As condições anti-dive são obtidas para,

L

h

d

ef

f

f

ξβ −== tan

Geometria da Suspensão Anti-Dive

Suspensão dianteira:

L

h

d

er

r

r

)1(tan

ξβ

−==Suspensão traseira:

ξ: fração da força de frenagem desenvolvida no eixo dianteiro

Para obter 100% anti-dive dianteiro e 100% anti-lift traseiro, o pivô para o braço efetivo deve cair no locus dos pontos definidos nestas relações.

Se os pivôs são localizados abaixo do locus, anti-dive<100% é obtido; se localizado acima do locus, o eixo dianteiro se levanta e o traseiro desce na frenagem.

Condições anti-dive



Na prática, 100% anti-dive é raramente usado. O máximo anti-dive, raramente excede 50%. Isso ocorre por certas causas:

• Anti-dive completo requer que o pivotamento esteja localizado acima do ponto requerido para o anti-squat total;

• Com anti-dive total, as mudanças do ângulo

de caster da suspensão dianteira podem aumentar demais o esforço de esterçamentodurante a frenagem;

• A geometria do sistema de direção requerido seria muito complexo;

• Na suspensão traseira, problemas de sobre-esterçamento podem ser criados pela elevada localização do pivô;

• O desempenho de NVH pode ser comprometido.

Geometria da Suspensão Anti-Dive(Cont)



Exemplo 1

Encontre a geometria necessária para obter 100% de anti-squat na suspensão traseira, e a geometria para obter anti-pitch total para o eixo sólido, de um veículo com tração traseira.

A suspensão traseira e dianteira possuem molas de coeficientes 169 e 285 lb/in, respectivamente (os coeficientes são combinações dos lados esquerdo e direito).

A altura do CG é 20,5 in e a distância entre eixos é 108,5.

Solução:

3010

11201890285

169

5108

520

5108

520

,

,,,

,

,

,

K

K

L

h

L

h

d

e

r

f

=

+=+=

+=

Se a suspensão pretende obter 100% anti-squat, então e/d precisa ser igual a 0.189.

A compensação total do pitch requer e/d=0,301.

A aceleração pitch é encontrada por:

gdeg/.g/rad.

sec/in/rad.

.

.

in/lbin/lb

.

.

.

in/lbsec/lb

lb

in.a

L

h

Kd

e

KL

h

Ka

g

W

L

x

P

frr

xP

43102490

00006450

5108

520

285

1

169

1890

5108

520

169

1

386

4074

5108

1

1111

2

2

==

=

+−=

+−=

)(

θ

θ

Para veículo com tração traseira num eixo sólido, temos a condição para pitch zero:



Centro de rolagem do carro é o ponto onde as forças laterais desenvolvidas pelas rodas são transmitidas ao veículo.

Cada suspensão tem seu centro de rolagem, definido como o ponto no plano transversal ao centro das rodas onde as forças laterais devem ser aplicadas ao veículo sem produzir angulação nas rodas.

Ponto de reação virtual fisicamente é a intersecção entre os eixos de qualquer par de braços de controle de uma suspensão

Análise dos Centros de RolagemSuspensão traseira do tipo four-link

Neste tipo de suspensão, a mudança na inclinação do eixo de rolagem durante as curvas é freqüentemente grande, em relação a outros tipos de suspensões. O centro de rolagem se localiza relativamente alto comparado a outras suspensões, incorrendo em um momento de rolagem excessivo nas rodas traseiras. Porém, o alto centro de rolagem ajuda a reduzir vibrações no eixo.

Centros de Rolagem nos Eixos



Suspensão traseira do tipo Three-link

O link superior não reage às forças laterais e, portanto, é ignorado nesta análise. Geralmente este tipo de suspensão tem o centro de rolagem mais baixo do que o four-link. Também a inclinação do eixo de rolagem permanece relativamente constante durante rolagem do carro e variações de carga.

Análise dos Centros de Rolagem(Cont)

Centros de Rolagem nos Eixos(Cont)Four-link com braços paralelos

Ponto A é o ponto virtual de reação dos braços menores. O ponto B é indefinido, porém se sabe que ele se encontra na extensão da linha de centro do braço inferior em algum lugar no infinito.



Suspensão do tipo Hotchkiss

O centro é obtido através da reta que une os dois pontos de fixação do feixe de molas, e sua intersecção com a linha central do veículo. Esse resultado pode parecer estranho a primeira vista, mas valores experimentais comprovam sua utilização.


Centros de Rolagem nos Eixos(Cont) Centros de Rolagem de Suspensões Independentes

O procedimento utilizado no cálculo dos centros de rolagem de suspensões independentes é descrito abaixo:

• Encontra-se o ponto de reação virtual “A”,

• Traça-se uma linha entre o ponto A e o ponto de contato entre pneu e solo,

• O ponto de rolagem será a intersecção da linha anteriormente traçada com a linha de centro do veículo.



� Alguns casos típicos de centro de rolagem de suspensões independentes:




O objetivo principal das suspensões ativas épropiciar a capacidade de adaptação das características do sistema de acordo com as solicitações. Se dividem em:

Suspensões passivas: compostas por um sistema armazenador (mola) e dissipador (amortecedor) de energia. Não varia com o tempo.

Suspensões auto-reguláveis: muito semelhante ao modelo passivo, no entanto possui características adaptativas. É o caso das suspensões a ar, muito comuns em caminhões, onde a rigidez da mola se adapta ao peso da carga.

Suspensões passivas: compostas por um sistema armazenador (mola) e dissipador (amortecedor) de energia. Não varia com o tempo.

Suspensões AtivasSuspensões semi-ativas: possui um sistema de mola e amortecedor que têm suas características alteradas por sinais externos. Dividem-se em:

Slow-active: responde rapidamente às solicitações, no entanto, necessita de muito tempo para voltar aos parâmetros originais.

Low-bandwidth: possui características para carregamentos que variam entre 1-3Hz.

High-bandwidth: tem a mesma capacidade do modelo anterior, além de se adaptar a freqüências de 10-15Hz.

Suspensões totalmente ativas: Possuem um atuador, geralmente um cilindro hidráulico, que gera as forças desejadas na suspensão.

Esse sistema sofre a mesma classificação do sistema de suspensões semi-ativas.

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