Funcionamento e detalhes da suspensão Eixo Rígido

Não há conceito de suspensão automobilística mais simples do que o eixo rígido, uma barra transversal que conecta as duas rodas e é fixada no chassi ou na carroceria. É também versátil, pode ser ou não um eixo de tração, permite a utilização, tanto de molas helicoidais, como feixe de molas e até molas de torção. Possuem vantagens e desvantagens, que determinam qual tipo de aplicação este conceito de suspensão deve ser utilizado.

Aplicação

Os sistemas de suspensão por eixo rígido foram completamente superados pelos sistemas de suspensão independente. Sua aplicação nos carros, atualmente, se restringe a veículos off-road, militares e de serviços. Podem ser utilizados na traseira, dianteira ou em ambos os eixos, além de englobarem facilmente um sistema de tração nas quatro rodas.

Entretanto, isso não exclui sua aplicação em carros de passeio, como o Ford Mustang, que mesmo utilizando suspensão eixo rígido na traseira, desempenhava um bom comportamento dinâmico. Essas aplicações, são pontuais e, atualmente, as marcas estão começando a descontinuar esse conceito de suspensão.

Características

O sistema de suspensão tipo eixo rígido possui algumas variações, mas estas preservam suas características fundamentais e apenas adequam o sistema as aplicações nas quais serão utilizados.

Tendo em vista que se trata de um sistema altamente robusto, quase livre manutenções periódicas, não há como escapar do fato que essa robustez se deve a materiais rígidos e densos. Nesses atributos, temos uma influência importante da massa. A massa do sistema, dependendo da aplicação, pode até ser equivalente a uma suspensão independente ou semi-independente.

Quando o sistema utiliza “eixos vivos” (live axle), eixos que incorporam um sistema de transmissão, a massa extra do diferencial, semi-árvores e demais componentes giratórios penalizam a massa não suspensa do sistema. Um dos fenômenos que ocorre, devido a presença do diferencial e por consequência sua massa e rigidez do conjunto, é o wheel hoop, que é uma trepidação do eixo quando submetido a uma grande transferência de torque para as rodas.

Fabricado em materiais rígidos e resistentes, o sistema torna-se adequado a aplicações de carga e uso off-road devido a sua robustez. Por ser um eixo rígido, possui o mínimo de articulações, que de certa forma são pontos de fragilidade da suspensão. Contudo, a falta de articulações e buchas reduzem as capacidades de elastocinemática da suspensão, as vibrações devido aos impactos sofridos pelas rodas não são absorvidos de forma efetiva, e acabam sendo transferidos para os ocupantes do veículo.

Sua rigidez confere, também uma outra característica, a não variação de geometria de direção, ou seja, os parâmetros de alinhamento são praticamente fixos. É o único sistema que consegue prover 100% de camber recovery. Se por um lado, o sistema dispensa alinhamentos periódicos com regulagem de parâmetros como cambagem e convergência, por outro impede que seja realizado um ajuste mais fino da geometria das rodas quando se busca melhor desempenho. Outra característica importante, é o desgaste aproximadamente igual dos quatro pneus, pois como não há variação da posição destes em relação ao solo, o nível de desgaste é semelhante em ambos os eixos.

Em termos fundamentais, o sistema lida com cargas as verticais sofridas pelas rodas, frenagens, arrancadas e transposição de obstáculos são alguns exemplos de situações que essas cargas são impostas. Entretanto, o sistema precisa também lidar com as cargas transversais, ou seja, as cargas produzidas na suspensão durante o contorno de curvas. Geralmente, os sistemas incorporam alguns mecanismos suplementares para prover ao eixo um controle durante as situações de curvas, que são situações onde há transferência de carga para de um lado para o outro. Ainda com algumas articulações de suporte, como barras Panhard e quadrilátero de Wall, é comum veículos de eixo rígido e tração traseira apresentarem comportamento sobresterçante.

Independente do tipo de mola utilizada no sistema, o espaço ocupado por estas é muito grande, o que limita a liberdade de projeto da carroceria. Além disso, o curso da suspensão é extenso, necessitando que a carroceria seja projetada em função do deste. Assim, as caixas de rodas acabam sendo grandes demais, o que prejudica a capacidade de carga da caçamba e altura desta, o assoalho torna-se muito elevado. Por outro lado, esse grande curso do amortecedor permite a veículos 4wd (leia mais) ultrapassar com certa facilidade grandes obstáculos transversais, que torcem severamente o chassi.

Com todas essas características fortes, o sistema de suspensão por eixo rígido acabou sendo preterido a sistemas independentes quando a aplicação é para veículo de passeio. Contudo sua simplicidade, baixo custo para projetar e manter, além de sua estrutura favorável a utilização de sistemas de transmissão nas quatro rodas o colocou como preferido em veículos de carga pesada, fora de estrada e de aplicações militares.

Componentes

Um sistema eixo rígido normalmente é composto pelos seguintes componentes:

  • Eixo rígido;
  • Molas e Amortecedores;
  • Buchas;
  • Barras auxiliares;

Eixo rígido

Feito de ferro fundido, trata-se do principal componente da suspensão. Por conta do eixo rígido, este tipo de suspensão é tão penalizado devido sua massa não suspensa. O eixo rígido tem grande parcela de “culpa” nisso. Este deve ser pesado, pelo menos por enquanto, pois materiais menos densos e com seu mesmo nível de dureza, resistência e custo, vale ressaltar, ainda não são conhecidos. Tal componente não pode ser leve, ou seria enfraquecido a ponto de romper. Essa falha vai de total desencontro com o objetivo do sistema, que é garantir uma suspensão robusta e resistente em condições de extrema carga e de péssima superfície.

Sua grande massa e rigidez também afeta a absorção das vibrações, estas são, muitas vezes, sentidas pelos ocupantes do veículo, motorista incluso. Motivo pelo qual, em muitos veículos, amortecedores de direção são aplicados ao sistema, para aliviar o nível de vibração que alcança as mãos dos motoristas.

Molas e amortecedores

As molas e amortecedores utilizados nos sistemas de suspensão eixo rígido são, o feixe de molas ou molas helicoidais e amortecedores hidráulicos. No caso do feixe de molas, estes acrescentam bastante a massa não suspensa do conjunto, sendo essa sua principal fraqueza. Quando o eixo rígido também é utilizado na dianteira, o cálculo dessa massa é ainda mais penalizado, motivo pelo qual esse sistema foi abolido de carros de passeio.

As molas e amortecedores estão totalmente detalhados em artigos próprios do Guia do Automóvel.

Buchas

A baixa capacidade elastocinemática das suspensão eixo rígido se deve, também, a ausência de pontos de articulação. Não há, portanto, uma quantidade significativa de buchas, estas são mais frequentemente encontradas nas barras estabilizadoras, Panhard e braços longitudinais, que conferem um pequeno grau de liberdade a mais a suspensão eixo rígido.

Barras auxiliares

Algumas variações do eixo rígido não garantem o suporte do mesmo sob cargas transversais e longitudinais, apenas verticais. Para combater essa fraqueza, são utilizadas as barras Panhard ou estabilizadoras, articulações triangulares, braços longitudinais e as articulações de Wall, Robert, Chebyshev e Evans.

Barras estabilizadoras e Panhard auxiliam na transferência lateral de cargas sobre as rodas, que ocorre quando o veículo está contornando curvas. A articulação triangular também auxilia na transferência de carga, mas ao mesmo tempo, também promove maior controle da suspensão sob cargas longitudinais.

As articulações de Wall, Robert, Chebyshev e Evance são mecanismos de quatro barras utilizados para guiar do eixo rígido quando este se desloca verticalmente, garantindo que o movimento seja reto e não haja nenhuma variação da posição da roda.

Tipos

O sistema de suspensão por eixo rígido possui, basicamente, três variações:

  • Eixo rígido com feixe de molas;
  • Eixo rígido com molas helicoidais;
  • Eixo rígido De Dion.

Eixo rígido com feixe de molas

O sistema de eixo rígido com feixe de molas é identificado por ser um eixo inteiriço que liga as duas rodas. O eixo é fixado no chassi e, também, nos feixes de molas, neste por um flange e parafusos de fixação. Algumas articulações suplementares podem ser utilizadas, como por exemplo, a barra Panhard, para conter a transferência lateral de carga.

O feixe de molas é fixado ao chassi e a uma articulação, por meio de parafusos que se encaixam em olhais nas extremidades do feixe de mola. Batedores de borracha são colocados no curso da mola para impedir que esta chegue ao seu curso máximo, e permita que impactos sejam totalmente transmitidos ao chassi. Os pontos de fixação dos feixes de molas são posicionados de forma que, estejam logo abaixo dos assentos traseiros e do compartimento de cargas do veículo, proporcionando menor exigência do sistema quando carregado.

As lâminas de molas podem ser instaladas com o centro de curvatura acima ou abaixo do eixo. Dizemos então, que o centro de curvatura é positivo ou negativo, respectivamente. Essa característica provoca um comportamento sobresterçante do veículo, quando o centro é positivo, e subesterçante quando o centro de curvatura é negativo. Em lâminas retas, admitimos que o centro de curvatura é neutro, mas quando o veículo recebe cargas em seu compartimento, a carga adicional provoca um centro de curvatura negativo, e portanto uma tendência ao subesterço.

A quantidade de lâminas que compõe o feixe de molas também é determinante para o funcionamento do sistema. Existem aplicações que apenas uma lâmina compõe o feixe de molas, nestas a histerese do sistema é consideravelmente menor. Nas aplicações com diversas lâminas, o feixe de molas é consideravelmente mais pesado e possui histerese maior, devido ao atrito entre as lâminas, mas por outro lado aumenta a capacidade de carga do veículo. As lâminas possuem diferentes comprimentos, e são fixadas umas nas outras por meio de abraçadeiras em forma de U. A lâmina superior é a maior, e as seguintes de comprimento reduzido em relação a anterior. As duas primeiras lâminas são fixadas no chassi e em uma articulação, que também está fixada ao chassi e permite um pequeno movimento longitudinal do feixe. O atrito entre as lâminas é reduzido por uma faixa plástica auto-lubrificante, ou até mesmo com grava.

Em algumas aplicações, o feixe de molas do eixo traseiro é instalado de forma inclinada. Tal configuração resulta em um comportamento diferenciado do eixo traseiro durante o contorno de curvas.

Uma característica única do feixe de molas, é a capacidade destes em suportar cargas nas três direções, o que acaba dando ao feixe de molas a “função” que teria o braço de suspensão. O feixe de molas pode suportar cargas verticais, longitudinais e laterais.

Nesta configuração de suspensão existem duas variações igualmente populares. Essas duas variações dizem respeito a ausência ou não de tração nas rodas traseiras.

Quando o sistema incorpora um sistema de transmissão para tração nas rodas traseiras, o sistema de eixo rígido com feixe de molas é chamado de Hotchkiss Drive. É assim chamado devido ao primeiro veículo a utilizar essa configuração se chamar Hotchkiss. Trata-se de uma variação que preserva todas as vantagens e desvantagens do eixo rígido com feixe de molas, mas incorpora diferencial e semi-árvores para tração nas rodas traseiras. É o mais barato e robusto eixo traseiro trativo dentre todos os outros sistemas de suspensão.

Em aplicações que o eixo traseiro é morto, ou seja, não há transmissão de torque para este, o sistema em si comporta-se da mesma forma. Entretanto, nessas aplicações, a preocupação com o espaço ocupado embaixo do carro é maior, o eixo rígido e os feixes de molas devem ser posicionados de forma a dividir espaço com tanque e estepe sem, também, prejudicar o assoalho da carroceria, geralmente destinado a cargas.

Eixo rígido com molas helicoidais

Assim como a variação anterior, uma barra inteiriça e rígida conecta as duas rodas do veículo, nas extremidades do eixo estão as molas helicoidais e amortecedores ao invés do feixe de molas. As mudanças começam neste ponto.

Nesta variação de sistema eixo rígido, os feixes de molas cedem lugar para as molas helicoidais, mas seu funcionamento permanece o mesmo, com as mesmas fraquezas e virtudes. Porém, as molas helicoidais não possuem a mesma característica dos feixes de molas, que é capacidade de suportar cargas nas três direções. As molas helicoidais trabalham apenas com cargas verticais, de modo que o sistema passa a estar vulnerável às demais cargas impostas ao veículo. Dessa forma o sistema acaba por necessitar de articulações auxiliares para dar conta das cargas longitudinais e transversais.

Essas articulações são braços longitudinais, que se conectam ao eixo e ao chassi, barra estabilizadora e/ou barra Panhard. As barra longitudinais se conectam ao chassi através de buchas, controlam as forças longitudinais sobre a roda, de modo que esta possa estar bem posicionada quando o veículo encontra-se sobre frenagem e aceleração. A barra estabilizadora limita a transferência de carga de um lado para o outro, assim como a barra Panhard. A diferença entre as duas, é que a barra estabilizadora é mais utilizada na dianteira, enquanto que a barra Panhard é mais frequentemente utilizada na traseira. A barra Panhard também pode ser aplicada a eixos traseiros com eixo rígido e feixe de molas.

Uma curiosidade, é que tanto a barra Panhard quanto a estabilizadora são muitas vezes retiradas de veículos off-road quando estes participam de competições. O motivo, sem as barras é possível explorar ao máximo o curso da suspensão, ou melhor, das molas e amortecedores, é por isso que é possível ver carros off-road superando obstáculos com o eixo completamente torcido.

Outra consequência do uso de molas helicoidais, é redução da massa não suspensa do sistema. Então o conjunto passa a ter um melhor manuseio e o sistema passa a ser levemente mais confortável, embora o sentimento de rigidez extrema continue o mesmo.

Sistema de suspensão eixo rígido De Dion

Criado e depois patenteado por Count de Dion e George Bouton em 1894, este sistema de suspensão homônimo ao seu criador, um fabricante de veículos nos anos 1930, era um curioso mecanismo de eixo rígido que foi utilizado por muitos em carros esportivos, principalmente.

O objetivo do conceito era reduzir a massa não suspensa dos sistemas de suspensão eixo rígido convencionais. Para isso, o diferencial foi removido do eixo rígido e instalado na carroceria ou chassi. Dessa forma o diferencial não prejudicaria o eixo com sua massa, este por sua vez admitia um nova forma, em U conectando a manga de eixo de ambas as rodas.

O sistema De Dion possui algumas variações, dentre estas era o comum o eixo rígido ser composto por tubos deslizantes, que se deslocavam durante o movimento vertical das rodas. Haviam também variações que utilizavam o quadrângulo de Watt. Este mecanismo era composto de um eixo rígido de formato triangular, no qual as bases do triângulo se conectam as mangas de eixo, e o vértice do triângulo era montado a frente das rodas, na carroceria ou chassi através de uma uniball (junta esférica). Esse ponto de montagem se localizava exatamente no eixo de simetria do veículo, em um arranjo muito semelhante ao braço arrastado.

Além disso, a suspensão De Dion podia ser equipada com molas helicoidais, feixe de molas e barra panhard.

As vantagens do sistema De Dion foi ter concedido ao sistema de suspensão eixo rígido maior versatilidade em sua disposição na montagem do veículo, podendo ser facilmente alocado sem invadir excessivamente o espaço destinados a outros componentes. Por muitos anos foi usados em esportivos, em especial roadsters e spiders, por prover melhor comportamento dinâmico do veículo se comparado a sistemas de eixo rígido convencional e eixo oscilante, com a capacidade de manter as rodas em posição paralela ao solo nas mais diversas situações.

Contudo, o sistema era bastante penalizado pelo atrito dos tubos deslizantes, além de ter capacidade dinâmica inferior aos novos sistemas de suspensão independente, bem como no arranjo do sistema com a carroceria. O sistema De Dion foi descontinuado e apenas em 1996 reapareceu no compacto urbano Smart.

Funcionamento

Mesmo limitado dinamicamente, o eixo rígido consegue prover o mesmo controle vertical e lateral das rodas, porém em um nível inferior se comparado a suspensões independentes.

Apesar de ter algumas variações, o funcionamento do sistema é o mesmo, exceto pelo fato da variação que utiliza feixe de molas, pois estas funcionam como braços longitudinais e os braços diagonais que controlam os movimentos laterais. O sistema eixo rígido permite que as rodas não variem significativamente sua posição em relação ao solo, mantendo quase fixo os parâmetros de cambagem e convergência/divergência.

Quando o veículo está trafegando, sucessivas frenagens e retomadas de velocidade são solicitadas, principalmente em situações de tráfego intenso. Esses movimentos produzem momentos em torno do eixo transversal do veículo. Estes são controlados pelos braços longitudinais (ou pelo feixe de molas, ou pela barra parabólica), de forma a manter as rodas em máximo contato com o solo durante essas situações.

Entretanto, os sistemas de eixo rígido experimentam alguns inconvenientes, principalmente quando apenas uma das duas rodas estão expostas a cargas de compressão. O mais expressivo destes é o “Self-steer”, uma variação da posição da roda que sob compressão tende a executar um deslocamento angular, ou seja, um leve esterçamento. O fenômeno está ligado a distância do eixo de articulação dos braços ao eixo das rodas, o eixo rígido em si. Quanto mais próximo, maior será a intensidade do self-steer.

Em situações de contorno de curvas e desvios, ocorre a transferência lateral de carga. Portanto, forças e momentos em torno do eixo transversal são gerados. O controle desses movimentos é provido pelas articulações diagonais (barra Panhard, triangular e quadrangular de Watt), em caso de eixo rígido na dianteira, a barra estabilizadora executa uma função semelhante. Essas articulações controlam o movimento lateral do eixo de forma a reduzir a diferença de posição entre as rodas. Por outro lado, grande parte da oscilação é transmitida a carroceria, gerando bastante oscilação e roling.

Manutenção

Apesar de todos os pontos negativos, que fizeram este tipo de suspensão ser descontinuado na maioria dos veículos atuais, o eixo rígido em termos de robustez e durabilidade ainda é uma das melhores, se não a melhor, opção. Esses atributos positivos refletem na manutenção do veículo com este sistema, por exemplo, não há o mesmo nível de preocupação em verificar os parâmetros de alinhamento, pois são parâmetros fixos. Dessa forma, como as rodas trabalham quase sempre em posição paralela ao solo, o desgaste dos pneus é mais uniforme e com pouca variação entre as rodas do eixo traseiro e dianteiro.