Existem algumas variações de barra estabilizadora para aplicação em corridas, mas a maioria delas é baseada na combinação de duas molas atuando em série. Uma delas é uma lâmina que aciona a segunda, um tubo de torção que produz uma resistência por grau de rotação. A lâmina transmite o movimento linear da suspensão para a rotação do tubo de torque. A ligação entre lâmina e tubo permite a rotação deste primeiro em torno do seu próprio eixo longitudinal. Isso é usado como ajuste que pode ser feito pelo piloto durante a corrida. Assim, a constante da mola do tubo de torção muda à medida que as pás são giradas, porque seu momento de inércia varia (I) em relação à carga na ponta da lamina.

Fluxo de tensão

O primeiro ponto importante no projeto de uma barra estabilizadora é o entendimento do fluxo de tensões a que este componente e suas partes são submetidas. Quando ativado por cargas de roda, isso resulta em uma tensão de flexão na primeira lâmina. Uma vez que estão ligados ao tubo de torção e embora existam várias formas de ligar um tubo de torção às pás, as suas tensões são transmitidas ao tubo por uma tensão de cisalhamento devido ao torque. Este se propaga ao longo de todo o comprimento do tubo e atinge a outra lâmina. Como este é fixado em sua raiz ao tubo de torção e em sua ponta a conexões de suspensão, geralmente um balancim, as pás estarão expostas a um esforço de flexão.

Estrutura da barra estabilizadora

A Figura 2 ilustra a barra estabilizadora, que é um dispositivo que converte movimento linear em rotação, portanto necessita de algumas peças importantes para suportar esses movimentos. As lâminas são geralmente feitas de alumínio usinado CNC série 7075 Ergal. São leves, resistentes e a usinagem CNC proporciona uma fabricação muito rápida. O tubo de torção é normalmente de aço ou ferro, devido à sua resistência e capacidade de enlogamento. Para dar sustentação às pás, geralmente são utilizados rolamentos de esferas, pois permitem a rotação da pá enquanto suportam um pouco de cargas axiais e, principalmente, radiais. Um rolamento de agulhas também é adicionado na raiz da lâmina como um suporte adicional para reduzir o atrito em movimentos de baixa velocidade, como é o caso das lâminas. Além disso, o uniball é utilizado na ponta da pá para não só permitir a sua rotação, mas também fornecer uma conexão com o cabo push-pull, que é o dispositivo que permite ao motorista ajustar a barra estabilizadora durante uma saída. Para garantir o suporte do tubo de torção, geralmente são utilizados rolamentos de esferas. Uma importante característica tecnológica agregada ao tubo de torção é o estriado, para conectar o torção ao tubo pino que está conectado à palheta. Este é um tubo de interface entre a lâmina e o tubo de torção. Portanto, há um tubo de pino em cada tubo de torque. O anti-roll descrito neste parágrafo é geralmente adotado em carros de corrida de rodas abertas, que requerem componentes mais compactos. Uma barra estabilizadora para stock-car e carro de turismo ou qualquer um baseado em carros de estrada é maior devido ao pacote próprio desses veículos, mas o conceito é exatamente o mesmo. De fato, a rigidez do tubo do pino não é levada em consideração no cálculo da barra estabilizadora.

Outro conceito de barra estabilizadora é ilustrado pela Figura 3, é usado em hiper e supercarros. Como nos carros de corrida de rodas abertas, o pacote é crítico e os componentes do carro costumam ter muitas funções que exigem uma forma complexa e compacta. Este é mais um conceito que é composto por êmbolos, uniballs, contra-porcas, porcas de pré-carga, molas e buchas de baixo atrito. Este conceito funciona com muitas molas beleville dentro de uma carcaça que são ativadas pelos êmbolos.

Os êmbolos (Figura 4) estão em contato com o uniball a partir de uma haste que também está conectada às suspensões. Portanto, está exposto às cargas da roda que deslocam angularmente a haste que aciona os êmbolos. A pré-carga e as contraporcas regulam a quantidade do efeito da barra estabilizadora.

Análise da barra estabilizadora

Uma boa análise foi feita por Crahan (1994) e começa com a aplicação do Teorema de Castigliano que define que a deflexão da pá é a derivada parcial da energia de deformação total em relação à carga na extremidade da pá, que é considerada como uma viga cônica. Portanto, esta é a razão pela qual a soma da energia de deformação das tensões de cisalhamento e flexão é integrada ao longo do comprimento da pá e pode ser escrita na seguinte fórmula:

A deflexão da pá SBR para uma carga unitária P é dada pela equação da Figura 5, onde k é o fator de correção da energia de deformação por cisalhamento para uma viga de seção retangular igual a 1,5. “V”, “G”, “A”, “l”, “M”, “E” e “I” são a força de cisalhamento, o módulo de rigidez, a área da seção transversal da pá, o comprimento da pá, o momento de flexão, o módulo de Young e o momento de inércia da pá em algum ponto x ao longo de seu comprimento a partir da ponta. Assim, é possível notar que esta equação varia de acordo com a área da seção transversal da lamina, b∙H. Portanto, o momento de inércia da pá no ponto x pode ser dado pela seguinte fórmula:

Onde “b”, “H_r” e “H_t” na Figura 6 são a espessura, a altura na raiz e a altura na ponta da pá. Esta fórmula define a capacidade de ajuste da barra estabilizadora, uma vez que a espessura e a rigidez do tubo de torque geralmente são fixas. Assim, a deflexão da pá em sua ponta pode ser dada pela seguinte fórmula:

Como esta fórmula possui σ_bl e P, é possível encontrar a rigidez de uma única lamina, K_bl:

Para o tubo de torção, sua rigidez é baseada em uma única fórmula para tubos:

Finalmente, a rigidez total de uma barra estabilizadora é dada pela seguinte fórmula:

Além de todos esses cálculos existe um detalhe importante sobre esse tipo de barra estabilizadora, o comprimento efetivo do tubo de torção é apenas 1/2 do comprimento real L. Segundo Crahan (1994) isso ocorre porque apenas 1/ 2 do tubo funciona para cada carga de roda. Um par é formado pelo tubo de torção devido a momentos criados nos extremos do mesmo, que são iguais, mas opostos. No entanto, esta é uma condição que ocorre quando o sistema atinge o equilíbrio, que é quando o centro do tubo de torção girou em uma quantidade equivalente à diferença entre os deslocamentos para a esquerda e para a direita (Crahan. C, 1994). Portanto, esta é uma condição equivalente a ter apenas metade do tubo de torção acionado.

Análise da barra estabilizadora de carros esportivos

Esse tipo de barra estabilizadora costuma ser utilizada em supercarros devido ao seu tamanho, já que esses veículos possuem um pacote crítico. Este é muito bem fixado ao chassi, enquanto as hastes da suspensão são conectadas à haste entre os êmbolos. À medida que o chassi rola, as molas são ativadas. Os ajustes fornecidos pela contra-porca e pela porca de pré-carga fornecem alguns graus de configuração.

Existem algumas configurações de operação neste tipo de barra estabilizadora que estão resumidas a seguir:

• Caso 1: Sem contra-porca, sem pré-carga;
• Caso 2: Pré-carga, sem contra-porca;
• Caso 3: Pré-carga e contra-porca.

Caso 1: Sem contraporca e sem pré-carga

Este primeiro caso é caracterizado pelo fato de ambas as molas serem livres, ou seja, totalmente estendidas. Portanto, a condição de espera é caracterizada pela simples lei de Hook, F = k∙x.

É importante observar que, quando um lado da suspensão é acionado, apenas uma mola é comprimida. Porém, a outra mola não acompanha a haste, portanto a Figura 14 força e deslocamentos ilustra que esta configuração só opera nos quadrantes 1 e 3. Em outras palavras, apenas uma mola é acionada por vez quando sob cargas de roda.

Caso 2: Pré-carga, sem contra-porca

A Figura 15 ilustra este segundo caso. Esta condição proporciona uma variação proporcional da rigidez equivalente. As molas estão atuando em alguma área do segundo e quarto quadrante devido à pré-carga.

Assim, a área de atuação foi ampliada (Figura 16). Além disso, em algum momento da operação, essas barras estão atuando em conjunto. Isso pode ser observado com o ponto de carga zero de cada mola sendo deslocado para a curva da outra mola, pode-se concluir que dentro da área compreendida pelos pontos PL, -PL e -0Carga e 0Carga, a barra estabilizadora está agindo em paralelo, assim, a rigidez equivalente passou a ser duas vezes a rigidez da mola. Após a compressão da mola ultrapassar o ponto 0Load, o anti-roll volta a operar com uma rigidez equivalente igual a apenas uma mola de rigidez.

Caso 3: Pré-carga e contra-porca

Com a adição da contra-porca, os êmbolos ficam travados em seu alojamento, o que conecta ainda mais seu deslocamento não apenas ao deslocamento da roda, mas também às outras molas beleville. Ou seja, neste caso também temos pontos de carga zero (0L e – 0L) onde a mola já está comprimida. Ao apertar a contra-porca, o êmbolo é deslocado comprimindo mais a mola. Isso cria uma condição em que a mola que está sendo ativada pela carga da roda também tem um efeito adicional da outra mola. Isso ocorre porque a contra-porca trava o movimento do êmbolo durante o movimento de retorno por mola.

Razão de movimento

A razão de movimento é um parâmetro muito importante na definição da cinemática da suspensão. Significa a relação entre o deslocamento da roda e o deslocamento da mola. Porém, o deslocamento na física tem muitos significados, para uma mola é a sua rigidez. Em uma análise de componentes também significa o trabalho desenvolvido por ele. Como as forças que atuam nas rodas são conhecidas, por seus deslocamentos é possível identificar seu trabalho. Considerando que o trabalho produzido pelas rodas durante o movimento é igual ao das molas, é possível desenvolver algumas relações. A Figura 18 ilustra que a razão entre o deslocamento da mola e da roda é a raiz quadrada das rigidezes. Esta relação é bastante importante, pois em algumas situações não é possível definir a rigidez da roda. Porém, com a conhecida rigidez da mola e relação de movimento da suspensão é possível obter este valor.

Referências

• Este artigo é basicamente o meu entendimento sobre uma das palestras de Chassi e Body Design ministradas por Luca Pignacca e Gianni Nicoletto;
• Crahan, C. T. Modeling Steady State Suspension Kinematics and Vehicle Dynamics or Road Racing Cars – Part 1: Theory and Methodology. Society of Automotive Engineers – SAE, 942505, 1994;
• Race car architecture – Part 3: Anti-roll device. Artigo publicado em 6 de Fevereiro de 2023.