Funcionamento e detalhes das molas de suspensão

Amortecedores e molas trabalham em conjunto, reagem sobre as oscilações verticais do veículo. Entretanto, essa reação ocorre de forma diferente em ambos. As molas, conteúdo deste artigo, trabalham durante todo o momento, seja quando o veículo está parado, seja quando está em movimento.

Entretanto, os amortecedores apenas entram em ação quando movimento relativo entre as rodas, em outras palavras, a inclinação da carroceria. E isso pode ocorrer em diversos momentos como em curvas, retomada de velocidade e frenagens, são alguns exemplos.

Dessa forma, a rigidez das molas determina a frequência e amplitude máxima dos movimentos verticais da suspensão, ou seja, as molas são elo determinante do veículo. Se este terá uma configuração voltada para o conforto ao rodar, admitindo certo nível inclinação da carroceria (rolling) ou se este será um pouco mais rígido, permitindo respostas rápidas e precisas e permitindo que o motorista tenha um certo desconforto.

Função

Durante a condução de um veículo, as irregularidades da pista provocam nas rodas movimentos verticais. Em resposta às essas irregularidade a roda sobe e desce a uma determinada aceleração. A oscilação da roda pode ser analisada através da amplitude e da frequência com que essa sobe e desce.

Essa oscilação é transmitida da roda para a suspensão e desta para a carroceria, ou seja, da massa não suspensa para a massa suspensa. O quão essa oscilação é transmitida é determinado pela constante da mola (spring rate). A partir desta determina-se se a mola é rígida ou macia. Algumas análises mostram que a oscilação da roda transmitida para a massa suspensa tem relação com frequência da mesma. A engenharia busca um compromisso da frequência de oscilação da roda, de forma que esta não atinja níveis elevados a ponto de comprometer o conforto do veículo. Quanto maior oscilação, maior será a frequência, e esses atributos caracterizam as molas de elavada constante. Por outro lado, se a oscilação é menor, baixa aceleração da roda em seu movimento vertical, menor será a frequência de oscilação da roda, o que significa dizer que uma mola de baixa constante está sendo utilizada.

A engenharia determina, durante a concepção do projeto, as características da mola. Uma vez determinadas, o comportamento fundamental do veículo está, de certa forma, definido. As molas acumulam a energia dos impactos da pista sobre a roda de acordo com a constante da mola, e a partir desta determina-se se o veículo é voltado para o conforto ou para dirigibilidade.

Tipos

As molas utilizadas para sistemas de suspensão automobilísticos se dividem em duas categorias básicas:

  • Mecânicas;
  • Pneumáticas.
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Neste artigo abordaremos as mecânicas. Devido a sua complexidade e variação, agregar este assunto às molas pneumáticas deixaria o artigo extenso. Além disso, as molas pneumáticas, para aplicações automobilísticas civis, ou seja, ficam de fora veículos pesados, agrícolas e industriais, são utilizadas em veículos topo linha e, são pouco vistos nas oficinas convencionais.

As molas mecânicas são padrões na suspensão automobilística, possuem três variações:

  • Molas de flexão;
  • Molas de torção;
  • Molas helicoidais.
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Cada tipo de mola funciona de uma forma diferente e possui características distintas, e essas definem que tipo de mola será utilizado em determinada categoria de veículos.

Molas de flexão

As molas de flexão são componentes mecânicos bastante conhecidos na indústria automobilística. Antes do automóvel, elas já eram utilizadas nas carruagens para atenuar os impactos sofridos pelas rodas. Entretanto, as molas de flexão são o tipo de mola mais complexo de se projetar do que as molas de torção e molas helicoidais.

As molas de flexão possuem diversas variáveis a serem levadas em consideração no seu projeto. A largura, espessura, quantidade de lâminas, pontos de ancoragem das lâminas e o ângulo do elo são fatores que influenciam na constante da mola.

Feitas de aço, as molas de flexão são representadas pelo feixe de molas semi-elípticas ou mola de lâminas e pela mola parabólica. São fixadas ao chassi pelas suas extremidades, através de buchas de borracha e elos. Ambos se conectam a mola através dos olhais dispostos nas extremidades desta. Entretanto, apenas a bucha é um ponto fixo, o elo promove uma articulação da mola, que de acordo com a altura em relação ao solo do veículo, altera as características da mola.

As molas de flexão, que podem ser dispostas em posição longitudinal ou transversal em relação ao veículo. Em posição longitudinal, o eixo é fixado no centro da mola, enquanto que na posição transversal, nas extremidades e no centro da mola são fixadas as rodas e o chassi, respectivamente. É possível a utilização de várias lâminas para aumentar a rigidez da suspensão, mas as molas parabólicas são compostas por apenas uma lâmina. Estas, por sua vez, são mais modernas, seu desenho foi concebido de forma a variar a constante da mola durante seu uso. Neste caso, a mola parabólica possui pontos variáveis, quando vista de cima, suas extremidades são mais largas, e em vista lateral, a parte central da mola tem maior espessura. Essas modificações conferem a mola parabólica, uma constante progressiva que aumenta a rigidez da mola conforme a carga imposta.

Embora seu formato seja elíptico, em muitas aplicações os feixes de molas permanecem em perfil quase plano durante seu uso. Algumas aplicações de molas semi-elípticas apresentam mais de um lâmina, casos em que a aplicação do veículo é para serviços e cargas. Nestas a suspensão apresenta um feixe molas, nas quais cada lâmina é disposta uma sobre a outra. A primeira lâmina, a maior, é colocada sobre as demais e fixada a estas através de abraçadeiras metálicas. A função destas é manter as molas em contato e na posição correta durante todo o funcionamento da suspensão.

A utilização de um feixe de molas semi-elípticas permite uma maior rigidez e capacidade de carga da suspensão em relação a mesma, equipada com mola única. Por estarem em contato, as lâminas se atritam provocando um efeito amortecedor auxiliar, chamado histerese. Um fenômeno proveniente do atrito entre as lâminas do feixe de molas.

Posição do elo sem carga.

Outro fator de relevante importância para as molas elípticas , é o ângulo e a posição do elo. O elo pode apresentar-se em posições diferentes em relação a linha imaginária que passa pelos dois olhais da mola. Acima ou abaixo dessa linha e com seu ângulo de frente ou de costas para a bucha da mola.

Variação do ângulo de posição do elo.

Quando o ponto de fixação do elo encontra-se dentro do comprimento da mola, o ângulo do elo permanece de frente a para bucha. Assim a mola terá a característica de aumentar a constante de mola à medida que for flexionada. Considerando, neste caso, uma mola montada com seu perfil côncavo para cima.

Quando o ponto de fixação do elo é afastado do comprimento da mola, esta passa a ter a característica de reduzir sua constante de mola à medida que se flexiona. A mola, em posição de repouso possui uma determinada constante de mola, que reduz quando a mola começa a se flexionar. Caso a mola seja flexionada, a ponto de deixar seu perfil côncavo para cima admitir uma posição retilínea, logo acima da linha imaginária dos olhais, a mola passa a obedecer a situação anterior. A constante de mola passa a aumentar com a flexão, gerando o efeito contrário.

Nos casos acima, se a mola for instalada com o perfil elíptico voltado para baixo, as considerações passam a ser contrárias. As características descritas possibilitam que as molas de flexão reajam a variação de altura do veículo, alterando sua constante de mola quando a carga sobre o eixo for elevada.

Em comparação com os demais tipos de molas, as molas de flexão são as menos eficientes, e embora sirvam como elemento de ligação e, em algumas aplicações, possuem a função de alinhar as rodas, nem sempre representam uma economia de peso.

A histerese, um fenômeno, em alguns casos, vantajoso, produz ruídos que devem ser levados em consideração no isolamento acústico do veículo. Em aplicações da linha pesada, o atrito entre lâminas requer manutenção.

Mola de torção

A mola de torção utilizada em automóveis é chamada de barra de torção. Fabricada em aço (aço mola), uma haste de formato circular é engastada na estrutura do veículo, em uma de suas extremidades, e no braço de suspensão, na outra.

A barra de torção pode admitir diversos formatos, seu corte transversal pode ser circular, retangular, quadrangular e, também, um feixe de barras chatas. A escolha destas leva em consideração o alojamento dos componentes da suspensão (inclusive da barra de torção) e o nível de exigência (carga) que o veículo será submetido.

A torção ocorre quando uma seção da barra se torce em relação a outra. O que provoca a torção da barra, são as cargas provenientes das forças que agem nas rodas. Através dos braços de suspensão, essas cargas provocam a torção da barra e então ocorre o efeito de amortecimento das vibrações.

A suspensão equipada com barras de torção, por característica da própria barra, desempenha um razoável efeito de amortecimento. Quando a barra se torce, devido a carga submetida pelo braço de suspensão, um torque é gerado na barra torcendo-a. A resistência da barra ao torque produzido nesta, resulta no efeito-mola, que força a barra retornar a sua posição de repouso. Enquanto a carga submetida a suspensão não superar a zona elástica da dureza da barra, esta funcionará corretamente.

Embora sejam molas livres de manutenção e com longa vida útil, as molas de torção possuem como ponto negativo, seu peso. Estas, são tão pesadas quanto um feixe de molas (de flexão) e mais pesadas que as molas helicoidais. Além disso, as barras são longas e necessitam de um grande espaço para serem alojadas.

Mola helicoidal

Mola helicoidal montada em dois tipos diferentes de suspensão, McPherson e Duplo A.

A mola helicoidal tornou-se padrão nos veículos atuais. Compacta e leve, se adaptou aos tipos mais variados de suspensão. Basicamente, são as molas helicoidais se enquadram na categoria Molas de Torção, ou seja, são molas de torção em formato de espiral.

O ponto de fixação da mola é, geralmente, composto de um pequeno coxim ou bucha. A finalidade destes é impedir o contato direto da mola com o chassi (ou carroceria), o que geraria desgastes na região de assentamento da mola e, consequentemente, ruídos e rangidos a cada movimento da suspensão.

A disposição das molas helicoidais, na suspensão, é geralmente em pé ou com um certo grau de inclinação. Existem aplicações peculiares, nas quais as molas e amortecedores são dispostos dentro do chassi do veículo, acionados por hastes ligadas as rodas.

Em suspensões do tipo McPherson, as molas helicoidais se apresentam em conjunto com os amortecedores. Um arranjo no qual o amortecedor passa por dentro da mola, formando o conjunto chamado strut.

Dois cursos são cumpridos pelas molas durante seu funcionamento, o curso de compressão e o curso de extensão. Com as molas helicoidais não é diferente, sendo o curso um dos motivos de tanta preocupação com constante da mola. Sabendo que a deformação da mola aumenta conforme a carga imposta sobre esta, a mola deve variar sua característica elástica de acordo com esse aumento de carga, ou do contrário a carroceria reduzirá em excesso sua altura em relação ao solo.

Portanto, o projeto de uma mola helicoidal para suspensões automobilísticas se depara com as seguintes variáveis da constante de mola:

  • Comprimento livre;
  • Diâmetro do fio de mola;
  • Diâmetro da mola;
  • Número de espiras ativas.

Com essas variáveis, algumas formas de conceder progressividade ao funcionamento da mola podem ser adotadas. A adoção de batedores de mola é um padrão nos projetos de suspensão. Os batedores são peças de poliuretano fixadas na estrutura da suspensão de forma a limitar a oscilação da mola, ou seja, limitando o curso da mola.

A medida que a mola se deforma devido a carga, esta reduz seu comprimento até o ponto no qual o batedor começa a ser comprimido. Nesse momento a carga que comprime a mola sofre a resistência do batedor para continuar deformando a mola. Os mesmo ocorre em batedores utilizados para limitar o movimento de extensão da mola. Contudo, os batedores são componentes a parte, não exercem influência nas características fundamentais da mola, citadas acima.

Outra forma é projetar um mola com dimensões variáveis, de forma que a constante de mola seja diferente quando esta encontra-se sob carga normal (veículo sem lastro) e quando esta encontra-se sob carga total.

O diâmetro do arame, é utilizado para se fabricar uma mola helicoidal de constante progressiva. Esse tipo de mola possui a variação do diâmetro crescente da extremidade até a espira central da mola. A partir desta até a outra extremidade, o diâmetro do arame decresce. O diâmetro do arame é sempre menor nas extremidades e máximo quando próximo ao centro. Dessa forma, conforme a mola é comprimida, o esforço para comprimi-la aumenta a cada espira superada.

Um detalhe importante para a constante da mola, é o número de espiras ativas. Este número é a quantidade de espiras que não estão em contato com os componentes da suspensão, ou seja, as espiras que estão entre as espiras das extremidades da mola.

Partindo deste detalhe, algumas molas podem ser classificadas como:

  • Molas de extremidades fechadas;
  • Molas de extremidades fechadas retificadas;
  • Molas de extremidade plana;
  • Molas de extremidades planas retificadas.
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As variações acima são referentes a espiras não ativas, estas é que fixam as molas na suspensão e na carroceria do veículo. Então cada variação destas é determina a quantidade de espiras ativas mola. Em molas de extremidades fechadas e de extremidades fechadas e aterradas, há duas espiras inativas em cada extremidade da mola helicoidal. A diferença fica por conta do acabamento, no qual as molas de extremidades fechadas a última espira acaba no ponto central da mola, sem encostar na espira anterior. Já em molas de extremidades fechadas e aterradas, a última espira faz uma volta completa, de forma que se encontre com a espira anterior. Nas espiras planas e planas aterradas, dependendo da forma que estas são fixadas na suspensão e na carroceria, pode-se considerar que não há espiras inativas ou que há meia espira inativa em cada extremidade. Nestas molas, a diferença reside no acabamento das espiras das extremidades, podem ser aplainadas para assentamento (molas planas aterradas) ou livres (molas planas). Esses detalhes influenciam na constante da mola devido ao número de elos ativos. Ao se utilizar uma mola de extremidades fechadas, não se deve levar em consideração as espiras das pontas, enquanto que em molas planas, é possível utilizar no cálculo da constante de mola todas as espiras como sendo ativas.

Funcionamento

Molas de flexão

O feixe de molas e a mola parabólica funcionam da mesma forma, amba são apoiados em três pontos. As diferenças são, a posição que essas molas são instaladas, e a quantidade de lâminas utilizadas.

Quando posicionamos as molas na transversal, o feixe de molas ou a mola parabólica são fixados em três pontos. As extremidades da mola são fixadas nos braços de suspensão, enquanto que a parte central é fixada na massa suspensa.

Quando posicionados na longitudinal, o feixe de molas ou a mola parabólica são fixados em três pontos. Porém, neste caso, as fixações nas extremidades da mola são realizadas na carroceria, enquanto que a parte central é fixada ao eixo.

No momento em que cargas são impostas no eixo, a mola é comprimida. Para compensar, se flexiona. Caso esteja sendo utilizado um feixe de molas, dependendo da intensidade da carga imposta sobre o eixo, todas ou apenas uma lâmina do feixe poderá se flexionar. A carga deve ser suficiente para flexionar mais de uma ou todas as lâminas. Quando isto ocorre, as lâminas irão atritar-se umas com as outras. Esse fenômeno, cria um efeito amortecedor extra, mas por outro lado, gera ruídos.

Na ocasião de molas parabólicas serem utilizadas, estas são compostas apenas por uma lâmina semi-elíptica. Esta lâmina possui sessões com diferentes espessuras e largura. Quando uma é aplicada a mola, esta se flexiona conforme a intensidade da carga. Sendo esta alta o suficiente, a flexão da mola atingirá os pontos onde a mola varia sua constante, tornando-se mais rígida. Dessa forma, uma maior resistência a carga aplicada é gerada, necessitando que uma carga maior seja imposta flexionar ainda mais a mola.

Mola de torção

As barras de torção são encaixadas no chassi ou na carroceria, estrias na extremidade da barra impedem esta de girar dentro do apoio. Na outra extremidade o braço de suspensão aplica a força proveniente dos impactos sofridos pela roda.

Quando a roda sofre um impacto, esta sobe fazendo o braço de suspensão acompanhar o movimento. Como o braço de suspensão está ligado a barra de torção, o braço produz um torque na barra. O mesmo ocorreria no sentido inverso, a roda desceria e o braço também. A torção, portanto, ocorreria de modo inverso no movimento descendente da roda.

Mola helicoidal

Durante o deslocamento do veículo, quando a roda recebe um impacto proveniente do solo, esta se desloca verticalmente, elevando o braço de suspensão juntamente. Assim a mola é comprimida por uma força, neste caso, a força do impacto na roda.

A mola helicoidal é comprimida, a força aplicada à mola gera esforços por todas as suas espiras. Analisando estas internamente, é possível notar que dois esforços agem nos arames da mola. Uma força cortante e um torque agem em cada arame das espira, a força cortante evita que o movimento linear, enquanto que o torque (no sentido anti-horário) impede a rotação da espira em torno do eixo da mola.

O torque no arame da mola ocorre quando uma carga é aplicada a mola. Ocorre, também,  a deformação angular de cada arame da espira. A resultante dessas deformações e da força cortante de cada espira, movimenta-as linearmente. A mola helicoidal, portanto, se deforma linearmente quando uma carga é aplicada.

Manutenção

As molas, em geral não são componentes de manutenção, não requerem substituição preventiva ou algo do tipo. São duráveis, projetadas para resistir a pesadas cargas e por longo período de tempo. Entretanto, como todo e qualquer componente do automóvel, elas se desgastam.

Os sinais de desgaste são trincas, deformações e oxidação, que em casos extremos podem levar a ruptura da mola. Entretanto, um sintoma discreto de perda de carga da mola, é a redução da altura em relação ao solo. Com o desgaste da mola, esta perde a sua força elástica e sede um pouco mais quando a carroceria é assentada. Dessa forma, o veículo fica um pouco mais baixo, e as molas, com funcionamento prejudicado.

Portanto, mesmo que as molas dispensem a manutenção, é admitido como boa prática de manutenção, a verificação periódica das molas.

As molas helicoidais possuem, nos pontos de fixação, buchas ou calços que servem para atenuar os ruídos do contato metal-metal. Entretanto, essas buchas se desgastam permitindo que os rangidos apareçam e as extremidades da mola se danifiquem.

O feixe de molas possui grampos para fixação das lâminas, estes são revestidos de borracha para atenuar os ruídos do atrito entre as lâminas e os grampos. Contudo, com o uso, os grampos se desgastam e perdem torque de aperto, soltando algumas lâminas da mola. A ação do feixe de mola inteiro fica comprometida, sendo necessário a recolocação do grampo ou sua troca.

Por trabalharem com as lâminas em atrito umas com as outras, em algumas aplicações se faz necessário a lubrificação periódica da lâminas com graxa adequada. A periodicidade dessa lubrificação vai depender do uso do veículo, deve ser avaliado o estado do feixe para determinar sua lubrificação ou não.