Como funcionam as suspensões dos carros

Quando as pessoas pensam sobre o desempenho de um automóvel, geralmente vem à cabeça potência, torque e aceleração de 0 a 100 km/h. No entanto, toda a força gerada pelo motor é inútil se o motorista não puder controlar o carro. Por isso, os engenheiros automobilísticos voltaram sua atenção para o sistema de suspensão quase ao mesmo tempo em que dominaram a fundo o motor de combustão interna a 4 tempos.

A função da suspensão de carro é maximizar o atrito entre os pneus e o solo, de modo a fornecer estabilidade na direção com bom controle e assegurar o conforto dos passageiros. Neste artigo veremos como as suspensões evoluíram ao longo dos anos e qual deve ser o futuro das mesmas.

Se as estradas fossem perfeitamente planas, sem irregularidades, as suspensões não seriam necessárias. Entretanto, elas estão longe de serem perfeitas. Até mesmo as recém-pavimentadas possuem desníveis tênues, que podem interagir com as rodas do carro. São essas imperfeições que transmitem força às rodas. De acordo com as leis de deslocamento de Newton, todas as forças possuem tanto magnitude como direção. Uma ondulação no solo faz com que a roda se mova para cima e para baixo, perpendicularmente à superfície. A magnitude, é claro, vai depender de a roda atingir uma grande ondulação ou uma partícula minúscula. Em ambos os casos, ela sofre uma aceleração vertical quando passa sobre a imperfeição.

Sem uma estrutura que intervenha, toda a energia vertical das rodas é transferida para o chassi, que se move na mesma direção. Numa situação dessas, as rodas podem perder completamente o contato com o solo. Então, sob a força da gravidade, elas podem bater no chão. Você precisa de um sistema que irá absorver a energia da roda acelerada verticalmente, permitindo que o chassi e o corpo permaneçam inalterados enquanto as rodas seguem as ondulações do solo.

O estudo das forças que agem sobre um carro em movimento é chamado de dinâmica veicular. Você precisa conhecer alguns desses conceitos para entender porque a suspensão é necessária. Muitos engenheiros de automóveis consideram a dinâmica de um carro em movimento sob duas perspectivas:

•rodagem - capacidade do carro em passar sobre todas as ondulações com suavidade
•comportamento - capacidade do carro em acelerar, frear e fazer curvas com segurança

Essas duas características podem ser descritas em três importantes princípios - isolamento do solo, adesão ao solo e capacidade de curva. O quadro abaixo descreve esses princípios e como os engenheiros tentam solucionar os desafios de cada um.

Princípio Definição Objetivo Solução
Isolamento do solo A capacidade do veículo em absorver ou isolar o impacto com o solo do compartimento dos passageiros. Permitir que o veículo trafegue sem perturbação enquanto estiver percorrendo solos ásperos. Absorver energia dos obstáculos do solo e dissipá-la sem causar oscilação indevida no veículo.

Adesão ao solo A proporção em que o carro está em contato com a superfície do solo em várias mudanças de direção e em linha reta . Por exemplo: o peso do carro irá se deslocar dos pneus traseiros para os pneus dianteiros durante a frenagem. Como a parte frontal do carro se inclina na direção do solo, este tipo de deslocamento é conhecido como "mergulho". O efeito oposto - "agachamento" - ocorre durante a aceleração que desloca o peso do carro dos pneus dianteiros para trás. Manter os pneus em contato com o solo, porque é o atrito entre os pneus e o solo que afeta a capacidade do veículo de andar, frear e acelerar. Minimizar a transferência do peso do veículo de um lado para outro e de frente para trás, pois essa transferência reduz a adesão dos pneus ao solo.

Capacidade de curva A capacidade do veículo em trafegar em uma trajetória curva. Minimizar a inclinação da carroceria que ocorre quando a força centrífuga na curva o veículo para fora pelo seu centro de gravidade, elevando um lado do carro e abaixando o lado oposto. Transferir o peso do carro durante as curvas do lado mais baixo do carro para o mais alto.

A suspensão do carro, com todos os seus componentes, fornece todas as soluções descritas.

Vamos observar as partes de uma suspensão a partir da foto maior do chassi, até os componentes individuais, embaixo, que tornam a suspensão apropriada.

O chassi
A suspensão do carro é, na verdade, parte do chassi. Ele abrange todos os importantes sistemas localizados na parte inferior do carro.

Esses sistemas incluem:

•o chassi - componente estrutural destinado a carregar o peso que sustenta o motor e a carroceria. Estes, por sua vez, são sustentados pela suspensão;
•o sistema de suspensão - arranjo que sustenta o peso, absorve e amortece impactos e ajuda a manter o contato dos pneus;
•o sistema de direção - mecanismo que possibilita que o motorista guie e direcione o veículo;
•os pneus e as rodas - componentes que tornam possível o deslocamento do veículo através da aderência e/ou atrito com o solo.

Logo, a suspensão é nada mais que um dos sistemas mais importantes do veículo.

Vamos aos três componentes fundamentais de qualquer suspensão: molas, amortecedores e barras estabilizadoras.

Molas
Os sistemas atuais de molas são baseados em um dos quatro projetos básicos:

•molas helicoidais - esse é o tipo mais comum de mola e é, em essência, uma barra de torção de alta capacidade, enrolada em volta do seu eixo. As molas helicoidais se comprimem e expandem, para absorver o deslocamento das rodas;

•feixe de molas - este tipo de mola consiste em várias camadas de metal (chamadas "lâminas") colocadas juntas para atuarem como uma única peça. Os feixes de molas foram usados inicialmente em carruagens puxadas por cavalos e eram encontradas na maioria dos carros americanos até 1985. Até hoje, eles são usados em muitas picapes e veículos pesados;

•barras de torção - as barras de torção utilizam as propriedades de torção de uma barra de aço para obter o desempenho parecido com o de uma mola helicoidal. O seu funcionamento ocorre do seguinte modo: uma extremidade da barra é fixada no chassi do veículo e a outra é fixada ao braço traingular, que atua como uma alavanca que se movimenta perpendicularmente à barra de torção. Quando a roda atinge um obstáculo, o deslocamento vertical é transferido ao braço triangular e, depois, através da ação de alavanca, à barra de torção. Esta então se torce ao longo do seu eixo para prover a força de mola. Os fabricantes de carros europeus usaram amplamente este sistema nas décadas de 1950 e 1960, assim como a Packard e a Chrysler nos Estados Unidos (e no Brasil, nos Dodge Dart e Charger); são usadas também em outras partes do carro, como manter as tampas de porta-malas abertas.

•molas pneumáticas - consistem em uma câmara cilíndrica de ar e são posicionadas entre a roda e o carro, usando as compressivas qualidades do ar para absorver as vibrações da roda. Esse conceito tem mais de um século e podia ser encontrado em bigas puxadas por cavalos. Nessa época, as molas pneumáticas eram feitas de diafragmas de couro cheios de ar, muito parecidos com foles. Elas foram substituídas por molas pneumáticas de borracha moldada nos anos 30;

Dependendo do lugar onde estão localizadas as molas em um carro - por exemplo, entre as rodas e o chassi - os engenheiros muitas vezes acham conveniente falar em massa suspensa e a massa não-suspensa.

Molas: massa suspensa e massa não suspensa
A massa suspensa é a massa do veículo sustentada pelas molas, enquanto que a massa não-suspensa é definida como a que fica entre o solo e as molas de suspensão. A dureza das molas afeta o modo como a massa suspensa reage enquanto o carro está sendo dirigido. Os carros suspensos de uma forma mais solta, tais como os de luxo, podem absorver bastante os obstáculos e oferecer um rodar muito suave. No entanto, um carro desses é propenso a "mergulhar" e "agachar" durante a frenagem e aceleração. Tende, ainda, a rolar ou se inclinar nas curvas. Os carros de suspenão mais firme, como os esportivos, são menos agradáveis em estradas de piso mais irregular, mas eles minimizam bastante os movimentos da carroceria. Isso significa que eles podem ser dirigidos vigorosamente até mesmo nas curvas.

Então, enquanto as molas parecem dispositivos simples, projetá-las e implementá-las em um carro para conciliar conforto com a estabilidade é uma tarefa complexa. Para tornar as coisas ainda mais difíceis, as molas não oferecem sozinhas um rodar perfeitamente suave. Por quê? Porque as molas são ótimas para absorver energia, mas não tão boas para dissipá-la . Outras estruturas, conhecidas como amortecedores, são necessárias para fazer isso.

Amortecedores
A não ser que haja um dispositivo de amortecimento, a mola de um carro aumentará e dissipará a energia absorvida em um impacto de maneira descontrolada. A mola continuará oscilando na sua freqüência natural até que toda a energia originalmente aplicada a ela seja dissipada. Uma suspensão constituída apenas de molas tornaria o rodar bem balançante e, dependendo do terreno, seria impossível controlar o carro.
Para isso existe o amortecedor, um dispositivo que controla o deslocamento indesejado da mola através de um processo conhecido como amortecimento. Os amortecedores reduzem a magnitude dos deslocamentos oscilatórios. Isso ocorre quando o equipamento transforma a energia cinética do movimento da suspensão em calor, energia essa que é dissipada através do fluido hidráulico. Para entender como isso funciona, é melhor olharmos o amortecedor por dentro e conhecermos sua estrutura e função.

Um amortecedor é basicamente uma bomba de óleo localizada entre o chassi do carro e as rodas. A parte superior do amortecedor se fixa ao chassi (por exemplo, o peso suspenso), enquanto a parte inferior se fixa ao eixo, próximo à roda (por exemplo, peso não-suspenso). Em um tipo de dois tubos, um dos mais comuns, a parte de cima é fixa à uma haste, que, por sua vez, está ligada a um pistão. Ele está inserido em um tubo cheio de fluido hidráulico. O tubo interno é conhecido como tubo de pressão. Já o externo é conhecido como tubo de reserva. Este último armazena o excesso do fluido hidráulico.

Quando a roda do carro encontra um obstáculo na via, a mola se comprime e se distende. A energia dela é transferida para o amortecedor através da parte de cima e vai seguindo através da haste para dentro do pistão. Os orifícios no pistão permitem que o fluido passe através dele e ele se mova para cima e para baixo no tubo de pressão. Como os orifícios são relativamente pequenos, somente uma pequena quantidade de fluido passa sob grande pressão. Isso faz com que o pistão desacelere, o que por sua vez desacelera a mola.

Os amortecedores trabalham em dois ciclos - o de compressão e o de distensão. O ciclo da compressão ocorre quando o pistão se move para baixo, comprimindo o fluido hidráulico na câmara abaixo. Já o ciclo da extensão ocorre quando o pistão se move na direção do topo do tubo de pressão, comprimindo o fluido na câmara acima. Um carro comum ou uma picape terão maior resistência durante o ciclo da extensão do que no ciclo da compressão. Considerando isso, o ciclo da compressão controla o deslocamento do peso não-suspenso do veículo, enquanto o de distensão controla o mais pesado, o suspenso.

Todos os amortecedores modernos são sensíveis à velocidade: quanto mais rápido a suspensão se movimenta, mais resistência o amortecedor fornece. Isso permite aos amortecedores que se ajustem às condições da estrada e que controlem todos os movimentos indesejados que possam ocorrer em um veículo em marcha, incluindo balanço, oscilação, mergulho na frenagem e agachamento na aceleração.

Colunas de suspensão e barras estabilizadoras
Uma outra estrutura de amortecimento bastante comum é a coluna de suspensão, mais conhecida por suspensão MacPherson. Trata-se de um amortecedor montado dentro da coluna e geralmente de uma mola helicoidal externa a ela. As colunas de suspensão têm duas funções: elas fornecem uma função de amortecimento como os amortecedores e, também, apoio estrutural para a suspensão do veículo. Isso significa que a coluna de suspensão faz mais do que os amortecedores, que não suportam o peso do veículo - eles somente controlam a velocidade na qual o peso é transferido em um carro, mas não o peso em si.

Uma vez que os amortecedores e as colunas de suspensão têm muito a ver com a estabilidade do carro, ambos podem ser considerados os pontos críticos de segurança.

Amortecedores e colunas gastas podem permitir uma excessiva transferência veículo-peso de um lado para outro e de frente para trás. Isso reduz a capacidade do pneu em aderir ao solo, bem como a estabilidade e o desempenho na frenagem .

As barras anti-oscilação (também conhecidas como barras estabilizadoras) são usadas junto com as colunas de suspensão ou braços triangulares para fornecer estabilidade adicional ao veículo em movimento. Essa barra é uma haste metálica, que se estende sobre todo o eixo e se conecta a cada um dos lados da suspensão.

Quando a suspensão em uma roda se move para cima e para baixo, a barra estabilizadora transfere o movimento para a outra roda. Isso faz com que o carro ande mais nivelado lateralmente e com menos inclinação nas curvas, isto é, evita que o carro role sobre a sua suspensão nas curvas. Por esse motivo, quase todos os carros possuem as barras estabilizadoras instaladas como item de série. No entanto, caso não estejam colocadas, os kits tornam fácil a instalação a qualquer momento.

Outra utilidade das barras estabilizadoras é permitir que o carro tenha molas mais macias, para maior conforto de rodagem, sem que sofra os efeitos da inclinação nas curvas.

Tipos de suspensão
Até agora, as nossas discussões se concentraram no modo como as molas e amortecedores atuam sobre a roda. Só que as quatro rodas de um carro funcionam juntas em dois sistemas independentes - as duas rodas fixadas pelo eixo dianteiro e as duas rodas fixadas pelo eixo traseiro o que significa que o carro pode ter tipos diferentes de suspensão na frente e atrás. Isso significa que um único eixo rígido pode conter as duas rodas ou elas podem se mover independentemente. O primeiro arranjo é conhecido como sistema de eixo rígido, enquanto o segundo é conhecido como sistema independente.

As suspensões dianteiras de eixo rígido, como o nome diz, possuem um rígido eixo ao qual se montam as rodas da frente. Basicamente, ele se parece com uma barra sólida sob a parte dianteira do carro, mantida no lugar pelo feixe de molas e amortecedores. Comuns em picapes, as suspensões dianteiras por eixo rígido não são usadas em carros há muitos anos.

Em um sistema independente de suspensão dianteira, as rodas podem se mover independentemente. A coluna MacPherson, desenvolvida em 1947 por Earle S. McPherson, da General Motors, é o sistema de suspensão dianteira mais utilizado, especialmente em carros originados na Europa.

A coluna MacPherson combina um amortecedor e uma mola helicoidal numa mesma peça. Isso faz com que o sistema de suspensão seja mais compacto e leve, podendo ser usado em veículos com tração nas rodas dianteiras.

A suspensão do tipo braços triangulares superpostos é um outro tipo comum de suspensão dianteira independente.

Uma vez que há várias configurações diferentes possíveis, esse projeto usa dois braços triangulares para localizar a roda. Cada braço triangular, que possui dois pontos de articulação no chassi e um ponto de articulação na roda, possui um amortecedor e uma mola helicoidal para absorver vibrações. As suspensões desse tipo permitem maior controle sobre o ângulo de cambagem da roda, que mostra o grau no qual as rodas se inclinam para dentro ou para fora. Elas também ajudam a minimizar a rolagem ou o balanço e proporcionam uma direção mais firme. Por causa dessas características, a suspensão por braços triangulares superpostos é comum na dianteira dos carros grandes.

Vamos observar as suspensões traseiras mais comuns.

Se um eixo rígido interliga as rodas traseiras de um carro, então a suspensão geralmente é bem simples - baseada tanto no feixe de molas como na mola helicoidal. Naquele, o feixe se prende diretamente no eixo. As pontas se fixam no chassi e o amortecedor fica preso ao grampo que firma a mola no eixo. Por muitos anos, os fabricantes americanos de carros preferiam esse projeto devido à sua simplicidade.

O mesmo projeto básico pode ser obtido com as molas helicoidais substituindo as lâminas. Neste caso, a mola e o amortecedor podem ser fixados como uma peça única ou componentes separados. Quando eles estão separados, as molas podem ser bem pequenas, o que reduz o espaço que a suspensão ocupa.

Se ambas as suspensões dianteira e traseira são independentes, todas as rodas são fixadas e suspensas individualmente. Isso resulta naquilo que os anúncios de carros informam como "suspensão independente nas quatro rodas". Qualquer suspensão que possa ser usada na dianteira do carro pode ser usada também na traseira. As versões dos sistemas dianteiros independentes descritos na seção anterior podem ser encontrados nos eixos traseiros. É claro que, na parte traseira do carro, a caixa de direção - o conjunto que inclui o pinhão e permite que as rodas sejam viradas de um lado para o outro - é inexistente. Isso significa que as suspensões traseiras independentes podem ser versões simplificadas das dianteiras, apesar de os princípios básicos serem os mesmos.