Funcionamento e detalhes da suspensão Eixo de Torção

Depois do eixo rígido percebeu-se que, embora muito robusto, havia uma grande penalização no conforto ao rodar do veículo. Além disso, o sistema era rígido demais a ponto de prejudicar, também, o comportamento dinâmico do veículo. Outros sistemas de suspensão apareceram, as eficientes suspensões independentes cumpriam o que prometiam, mas em aplicações de baixo custo, ainda não eram adequadas.

Com surgimento de carros como o Citroën 7A e anos depois com o Mini Cooper, um novo layout de powertrain surgia: Motor dianteiro e tração dianteira (FF). Esse layout buscava reduzir ao máximo o espaço ocupado pelo powertrain, e acabou por concentrar este na dianteira. Como resultado, a suspensão traseira não teria mais que sustentar um pesado diferencial, e como buscavam otimização do espaço (principalmente o interno), a suspensão ideal deveria ser aquele que proporcionasse nível de conforto e dinâmica adequados a tipo do projeto, mas que também compartilhasse espaço no assoalho do veículo sem prejudicar o espaço interno.

Em meio a essas necessidades, nascia o Eixo de Torção, um mecanismo composto por uma barra transversal conectada através de soldas aos braços de suspensão. Mas, diferente do eixo rígido, essa barra transversal possui determinado nível de elasticidade permitindo que mesma pudesse se torcer. Dessa forma, era possível conferir certo grau de independência entre as rodas.

Características

TA : Trailing Arms CB : Cross Beam. B : Pivot Bushes S : Coil Spring. D : Dampers E : Top Mount. T : Torsion bar P : Panhard Rod. TA. CB. B. S. D. E. T. P. Welded Rigid Connection. 14.

O sistema de suspensão por eixo de torção foi concebido para equipar veículos com powertrain dianteiro, pois a suas maiores virtudes são a simplicidade e compacticidade. Pois devido ao fato de ser instalado na traseira, o sistema teve que ser bem sucedido ao dividir espaço com tanque de combustível, bagageiro e, por vezes, o estepe.

Contudo, não há variações (exceto uma) que permitam a utilização de eixo trativos, ou seja, será sempre um eixo guiado. Fato que por muitas literaturas é tratado como ponto negativo ou desvantagem, embora ser, também, um eixo de tração não tenha sido o escopo de seu projeto original.

O sistema é uma ligação mecânica entre as duas rodas, uma barra transversal que se conecta aos braços de suspensão por meio de soldas. Estes braços possuem um ponto de fixação na carroceria, nestes encontram-se as buchas e os rolamentos. Molas e amortecedores são fixados em suportes soldados nos braços de suspensão.

Mesmo fisicamente parecido com o eixo rígido, a suspensão eixo de torção possui massa não suspensa consideravelmente menor, é desprovida de articulações e possui apenas dois pontos de fixação com a carroceria. Mas o uso extensivo de soldas torna o sistema limitado a tensão máxima que esses pontos de soldas podem suportar, ou seja, a carga sobre o eixo é limitada a capacidade que as soldas possuem de aguentas as forças que fluem na suspensão. Esse pode ser um dos motivos pelo uso deste sistema de suspensão em veículos utilitários sem vocação off-road.

O sistema se comporta de forma semelhante ao eixo rígido, porém a deformação da barra transversal permite a absorção da parte das forças dos impactos sofridos pela roda, principalmente se estes forem em apenas uma roda, ou seja, a barra transversal funciona como uma barra estabilizadora. Entretanto, em situações de intensas forças laterais, mesmo com a torção da barra transversal, ocorrem deformações dos braços de suspensão. Como consequência disso, o posicionamento da roda sob carga sofre alterações, que em curvas apresenta o fenômeno de sobresterço devido a forças laterais, ou self-steer.

Apesar dos contras, o sistema eixo de torção, na maior parte de seu funcionamento, proporciona o bom posicionamento das rodas, com o mínimo de variação de cambagem, convergência/divergência e distância entre-eixos.

Componentes

A suspensão eixo de torção e suas variações são compostas, basicamente, pelos seguintes componentes:

  • Braços de suspensão;
  • Barra transversal;
  • Buchas;
  • Molas e amortecedores.

Braços de suspensão

O braço é o componente de números 1 e 7.

São fabricados em folhas de aço estampadas e soldadas, ou em tubos de aço. Independente disso, os braços se conectam a barra por meio de soldas, alojam as buchas, amortecedores, molas e possuem desenho muito semelhante aos braços da suspensão braço arrastado e semi-arrastado. Nos braços são soldados os cubos de roda, para fixação desta ao sistema de suspensão. As molas e são alojadas em pratos soldados no braços e os amortecedores aparafusados no braço e um suporte na carroceria.

A função dos braços de suspensão é conectar o cubo de roda a suspensão, para que esta controle os movimentos verticais e horizontais das rodas. Os braços agem controlando os movimentos oriundos de forças verticais sobre a roda, que geram rotações em torno de um eixo transversal, no caso o eixo das buchas. O controle desses movimentos ajuda a reduzir o esforço sobre as buchas e rolamentos.

Barra transversal

É o mais importante componente do sistema, a barra transversal confere ao sistema suas características peculiares. É também chamada de barra de torção, pois é o elemento torçor do sistema.

A barra transversal é posicionada entre os dois braços de suspensão e soldadas a estes. Dessa forma a barra realiza a conexão mecânica das rodas, e por conta disso o movimento de uma das rodas é refletido na outra até certo ponto. Sua fabricação é feita com chapas e uma barra de torção em aço por dentro das chapas, a seção transversal das chapas é geralmente projetada para ter formato em V ou em U. Essas características definem as características elásticas da barra transversal. Além desses formatos, também se utilizam barras com seção transversal de formato tubular, porém, apenas na região central da barra. O objetivo é reduzir a rigidez torcional do eixo visando reduzir a tensão sobre as soldas da barra, e assim prover um vida útil adequada a suspensão.

A função da barra transversal é controlar as forças geradas devido a cargas laterais, agindo quase como uma barra estabilizadora. Então, são desenvolvidas para prover um nível de rigidez torcional adequado, ou seja, com o máximo de resistência a cargas laterais, mas permitindo determinado nível de torção. Isso proporciona às rodas um comportamento relativamente independente, caso contrário, seria um simples eixo rígido.

Buchas e rolamentos

São componentes que garantem articulações suaves e longevas a suspensão. Para aplicação na suspensão eixo de torção, apenas duas buchas são utilizadas e se localizam na extremidade dos braços de suspensão.

A bucha é uma estrutura metálica preenchida com borracha, para que se tenha a absorção de vibração pela borracha e a rigidez do metal. Algumas aplicações utilização rolamentos em sua estrutura para maior rigidez e menor atrito.

A função das buchas, além da redução de atrito e atenuação de vibrações, é lidar com as forças que agem naquele ponto. As forças laterais produzem momentos nos braços de suspensão, mas acabam sendo absorvidas pelas buchas, mas quando a carga lateral é muito intensa as buchas se deformam, os braços acabam cedendo ao momento e também se deformam alterando a posição da roda. Essa alteração é causadora do self-steering, que provocar o sobresterço do veículo em curvas.

Para evitar esse efeito indesejável buchas especiais são utilizadas. Estas possuem formato cônico, que quando estão sob cargas, o sentido do deslocamento da deformação da bucha é invertido. O efeito do self-steer não deixa de ocorrer, mas é o efeito na dirigibilidade também se inverte, o veículo passa a apresentar um comportamento subesterçante. Uma outra forma de obter esse efeito, é alterando a posição das buchas, estas são colocadas de forma inclinada em relação ao eixo transversal. As fábricas utilizam uma inclinação de 25 graus. Esse parâmetro reduz a variação de convergência/divergência da roda sob carga em cerca de 30%.

Molas e amortecedores

Os componentes de amortecimento da suspensão em nada diferem das molas e amortecedores utilizados nos demais sistemas de suspensão. Nesta aplicação ambos são alocados em estruturas soldadas nos braços de suspensão.

Tipos

O sistema eixo de torção possui três variações em relação ao posicionamento da barra transversal. A posição desta altera o binário gerados nos pontos de fixação da suspensão, bem como o nível de rigidez torcional do eixo. As variações são:

Fonte: HEISSING, Bernd, ERSOY, Metin. Chassis Handbook – Fundamentals, Driving Dynamics, Components,
Mechatronics, Perspectives, Germany, Vieweg+Teubner, 2011. 591p;
  • Torsion;
  • Coupling;
  • Standard twist beam.

Torsion

Nesta variação sua característica é a barra transversal estar muito próxima do centro da roda. Se assemelha bastante a suspensão eixo rígido, bem como se comporta de forma muito próxima a mesma, pois a posição da barra transversal favorece menos a torção desta.

Os braços de suspensão acabam sendo um pouco mais longos, o que gera momentos mais intensos sobre as buchas, prejudicando a vida útil destas, bem como o conforto ao rodar, motivo pelo qual é dito que esta variação está mais próxima de um eixo rígido.

Esta variação equipa veículos de baixo custo e apareceu no modelo 100 da Audi em 1969.

Coupling

Se a variação torsion lembrava muito o eixo rígido, nesta configuração a barra transversal está posicionada um pouco a frente do eixo das rodas. Essa posição contribui para a dinâmica da suspensão, o eixo não permite um fluxo de forças tão intenso e as buchas são menos solicitadas.

As rodas estão menos expostas a conexão da barra transversal e possuem um pouco mais de independência, sendo o motivo pelo qual esse sistema possui melhor compromisso com o conforto.

Standard Twist Beam

Neste arranjo a barra transversal é posicionada ainda mais a frente do eixo das rodas, aproximando-se bastante dos dois pontos de ancoragem da suspensão. Essa maior distância do eixo das rodas aproxima o comportamento da suspensão em questão a um braço arrastado pelos seguintes motivos: Proporciona menor rigidez torsional e, consequentemente, maior articulação das rodas e o formato e ponto de ancoragem dos braços de suspensão são semelhantes aos da suspensão braço arrastado.

Contudo, o distanciamento da barra transversal do eixo das rodas reduz bastante o efeito de conexão mecânica entre elas. Portanto, perde-se um pouco do controle da torção na barra transversal, assim os braços de suspensão e buchas estão sujeitos a maiores níveis de deformações e maior incidência do self-steer. Motivo pelo qual, nesta aplicação se utiliza buchas especiais anti-toe ou a inclinação do eixo destas, conforme citado em parágrafos anteriores. Mesmo assim, essa variação proporciona bom equilíbrio entre comportamento dinâmico e conforto.

Funcionamento

Quando o veículo está se deslocando em linha reta e passa por obstáculos que atingem as duas rodas simultaneamente, a reação da suspensão será da seguinte forma. A excitação causada pelo obstáculo fazem as rodas se deslocarem para cima, um deslocamento vertical.

Como o movimento foi simultâneo, não torção na barra transversal. As rodas sobem acionando os braços de suspensão, estes tendem a girar em torno do eixo que conecta o centro das duas buchas, sendo então um movimento rotacional em torno do eixo das buchas. Neste caso, o movimento da suspensão eixo de torção está mais próximo do funcionamento da suspensão eixo rígido, ou seja, sem alteração do alinhamento das rodas durante todo o movimento. O controle do movimento é realizado por molas e amortecedores.

A situação descrita acima ocorre da mesma forma quando aceleramos o veículo, e mais carga é jogada sobre as rodas traseiras, e de forma inversa em frenagens.

Na situação nas quais as rodas enfrentam superfícies desniveladas ou são expostas a cargas laterais (curvas), ocorre o deslocamento assimétrico das rodas, ou seja, uma se desloca mais do que a outra. Então a reação da suspensão é diferente. Como não simetria no deslocamento, a barra transversal não irá se deslocar perfeitamente reta, então ocorre a torção desta. Essa torção confere as rodas determinado grau de independência em seu movimento.

Entretanto, o movimento dos braços de suspensão não ocorrerá em torno do eixo das buchas, como em um deslocamento assimétrico, e sim em torno do eixo que liga o centro da bucha até ponto de cisalhamento da barra transversal. Esse eixo e o ponto de cisalhamento são imaginários, o ponto de cisalhamento é definido no estudo das propriedades de cisalhamento, momento fletor e torçor da barra transversal.

Percebe-se que o movimento da roda não ocorre mais em torno de um eixo reto, mas de um eixo inclinado, some a isso o fato das forças laterais sobre as rodas provocarem momentos nos braços de suspensão, então os braços acabam sofrendo uma pequena deformação.

Essa deformação altera o alinhamento da roda na pista provocando uma reação no comportamento dinâmico do veículo. Em termos gerais, essa reação é um comportamento sobresterçante do veículo em curvas ou desvios. Contudo, já existem formas de alterar esse comportamento para subesterçante.

Eixo de torção dinâmico


Fonte: HEISSING, Bernd, ERSOY, Metin. Chassis Handbook – Fundamentals, Driving Dynamics, Components,
Mechatronics, Perspectives, Germany, Vieweg+Teubner, 2011. 591p;

A empresa de engenharia Magna Steyr apresentava em 2001 uma variação do sistema de suspensão eixo de torção. A chamada eixo de torção dinâmico (Magna Steyr dynamic twist beam rear axle.), foi desenvolvida buscando substituir a utilização do sistema eixo rígido, oferecendo as vantagens do eixo rígido com o melhor comportamento dinâmico da suspensão eixo de torção e principalmente, melhor instalação no veículo. Na verdade essa substituição ao eixo rígido buscava conceder a configuração eixo de torção a opção de ser um eixo trativo.

O sistema proposto era muito semelhante a suspensão eixo rígido De Dion, porém, a barra transversal que conecta ambas as rodas não era 100% rígida como no sistema De Dion, mas permitia que esta pudesse torcer absorvendo parte das forças que excitam as rodas, e assim concedendo determinado nível de independência entre as rodas.

As mangas de eixo das rodas, nesta aplicação, fazem parte dos braços de suspensão, que por sua vez são ainda mais parecidos com os mesmos na configuração braço arrastado. Para controle das cargas laterais, um quadrângulo de Watt era utilizado com o objetivo de reduzir a oscilação da carroceria em relação a torção da barra transversal.

Manutenção

Devido a simplicidade na sua concepção, o eixo de torção também é simples no quesito manutenção. A ausência de excessos de articulações, apenas dois pontos de ancoragem, dispensa a utilização de mais componentes elásticos, que de certa forma, são pontos fracos de qualquer suspensão. Então existem apenas duas buchas que pedem atenção nos momentos de revisão, uma vez apresentando rachaduras ou ressecamentos, devem ser trocadas.

A conexão mecânica entre as duas rodas aproxima esse sistema de um eixo rígido, pois na suspensão eixo de torção também não há necessidade de alinhamento das rodas, os parâmetros como cambagem e convergência/divergência são fixos.