Funcionamento e detalhes da suspensão Multi-link

Derivada da bem-sucedida suspensão Braços Sobrepostos, a suspensão Multi-link foi desenvolvida a partir de uma pequena variação daquela: Decompor os 2 braços de 3 articulações, em 4 braços de 2 articulações.

O intuito dessa segregação é separar as funções dos braços para obter maior liberdade de projeto e reduzir as cargas sobre um único braço. Os braços nesta aplicação possuem as dimensões necessárias para o fluxo de forças que suportarão.

O número de braços, que antes era dois, passa a ser de quatro ou cinco dependendo da aplicação. Isso faz com que ocorra a redução do grau de liberdade do sistema, de forma que a suspensão Multi-link seja categorizada com um mecanismo de seis barras. Este é conhecido por ter apenas um grau de liberdade, que na realidade de uma suspensão Multi-link, é o seu movimento vertical.

Aplicação

O sistema surgiu para ocupar uma lacuna entre a suspensão McPherson e Braços Sobrepostos. Ambas são projetos bem-sucedidos no que se propõe, a primeira tem excelente custo / benefício e a segunda, confere ao veículo excelente capacidade dinâmica, mas ao custo de um baixo isolamento de ruídos e de acomodação bastante invasiva do espaço embaixo do veículo.

Essa lacuna foi percebida em projetos voltados para o mercado de veículos de luxo, onde o padrão de qualidade é ainda mais alto. Nestes projetos não são admitidos sistemas em que os atributos conforto, desempenho e espaço ocupado (pelo sistema) possuam interferências excessivas entre si. Para esse nível de exigência, a suspensão Multi-link consegue aliar ótimo desempenho dinâmico, ótimo isolamento de ruídos e vibrações e interferir o mínimo no compartilhamento de espaço com os demais componentes.

Inicialmente ficou conhecida quando equipou os veículos 190 Series da Mercedes-Benz, mas há registros de sistemas Multi-link de quatro braços em veículos esportivos na década de 60. O sistema se consolidou em veículos de luxo, em especial, sedãs e SUV’s de grande porte.

Com o know-how obtido, algumas marcas adotaram sistemas Multi-link em veículos médios e de grande produção, porém em versões topo de linha ou séries limitadas. Não tornou-se padrão devido à complexidade, motivo pelo qual continua bastante utilizada em projetos voltados para o mercado premium e de luxo.

Características

Uma suspensão apenas pode ser denominada Multi-link se, e somente se, os seus braços conectarem a manga de eixo ao subchassi, cada braço efetuar essa conexão por meio articulações do tipo pivô ou bucha elástica e se a quantidade de braços for de, no mínimo quatro, por isso o termo “multi” em seu nome.

Os tipos de suspensão Multi-link variam de acordo com a quantidade de braços e o eixo no qual é aplicada, dianteiro ou traseiro. Ainda assim, o sistema apresenta características fundamentais independente do seu tipo.

Muitas vezes o sistema de suspensão Multi-link é referido como uma suspensão traseira, embora também possa ser aplicado na dianteira. Isso ocorre pois a maioria das aplicações são feitas no eixo traseiro, a diferença das aplicações para o eixo dianteiro e para o eixo traseiro é a função do quinto braço. Para a suspensão dianteira Multi-link, este é o braço axial da caixa de direção (leia mais), enquanto que a suspensão traseira possui o chamado braço de toe (Toe Link). Esse braço controla as variações de convergência das rodas traseiras.

A suspensão Multi-link é um conceito derivado da suspensão braços sobrepostos, onde cada braço é desmembrado para formar quatro braços. E neste ponto encontra-se sua maior virtude. O projetista passa a ter maior liberdade para desenvolver os braços de suspensão, visto que cada braço não possui influência dos outros em seu movimento, são conexões rígidas com coordenadas x, y e z (3 dimensões), e estas são livremente  especificadas pelo escopo do projeto.

Assim cada braço é projetado separadamente, de modo que suas articulações também, o que permite que as buchas ou pivôs sejam preparadas especificamente para as cargas que cada braço suportará. No caso das buchas, esse fator é ainda mais interessante, visto que a elastocinemática da suspensão é frequentemente utilizada para determinar o comportamento do veículo em algumas situações.

Outra consequência dessa liberdade de projeto é o dimensionamento dos braços de suspensão, que são definidos para se obter uma inclinação do pino mestre ideal para a aplicação da suspensão. Ou seja, o projetista terá mais liberdade para definir os braços de forma a ter maior controle sobre as variações de cambagem e convergência, e ainda por cima, reduzir o raio de escorregamento da suspensão. Este último parâmetro é decisivo para um rodar confortável e sem esforços excessivos ao volante.

A utilização de articulações em todos os braços reduzem drasticamente os esforços de flexão, os braços passam a ter, de certa forma, esforços de tração e compressão, somente. Contudo, o maior número de braços e articulações aumenta a complexidade do projeto, a quantidade de variáveis a serem consideradas e, consequentemente, a manutenção do sistema passa a exigir mais atenção aos detalhes do sistema.

Os braços de suspensão não se conectam diretamente ao chassi monobloco, pois assim transmitiriam grande parte da vibração das rodas. Para evitar tal inconveniente, utiliza-se um subchassi ou agregado (subframe). No caso da suspensão Multi-link, que é um mecanismo de seis elos, o subchassi é o elo fixo. A utilização de um subchassi aumenta o peso da suspensão, que embora o sistema tenha uma massa não-suspensa leve, o peso extra da suspensão aumenta o peso total do veículo.

O sistema Multi-link é uma suspensão independente que pode ser aplicada em eixos dianteiros ou traseiros, sejam estes trativos ou não, em veículos com tração simples ou com tração nas quatro rodas. É um sistema pesado, complexo e de custo de desenvolvimento e manutenção mais elevados em relação aos sistemas McPherson e Braços Sobrepostos. Porém, controlam mais eficientemente a variação de posição das rodas, com melhor negociação do espaço onde é alojado e ainda promove um rodar confortável com o mínimo de vibração e aspereza, virtudes e fraquezas que o fazem até hoje ser um sistema de suspensão utilizado em carros de alto padrão.

Tipos

O sistema Multi-link não possui variações muito peculiares, visto que a concepção do sistema é de no mínimo quatro braços de suspensão, e que cada um reduza um grau de liberdade do sistema, de forma que sobre apenas um, o movimento vertical da roda. Dessa forma, as variações de suspensão Multi-link se dividem em dois tipos básicos:

• Multi-link de quatro braços;
• Multi-link de cinco braços.

A quantidade de braços é definida pelos objetivos do projeto, porém o espaço disponível no qual a suspensão será alojada é levado bastante em consideração.

Multi-link de quatro braços

Uma suspensão Multi-link de quatro braços é uma variação no qual estes controlam a roda de forma independente. Os braços podem variar quanto a sua disposição e tamanhos, gerando portanto, subtipos de suspensão Multi-link de quatro braços.

Multi-link com quatro braços, sendo um longitudinal

Um Braço longitudinal e três transversais

Para aplicações em eixos traseiros, é comum utilizar suspensão Multi-link com quatro braços, sendo um destes um braço longitudinal, conectado rigidamente a manga de eixo e por meio de bucha no chassi monobloco. Os outros três, transversais, geralmente conectados por buchas no subchassi e por pivôs na manga de eixo. Os braços transversais controlam as cargas transversais aplicadas na roda (também chamadas de cargas laterais) e enquanto que o braço longitudinal controla as cargas longitudinais.

O braço longitudinal deveria estar articulado na manga de eixo, mas está fixo. Porém, seu material, aço estampado, permite que o braço possua determinado nível de flexibilidade a ponto de se flexionar e compensar a ausência do pivô.

Os braços transversais podem estar dispostos paralelamente ao eixo da roda, mas é comum utilizá-los, também, em posição inclinada em relação a este. Além disso não são fixados no mesmo ponto da manga de eixo, visto que seu comprimento é desigual e não permanecem no mesmo plano. Essas são características que permitem que a inclinação do pino mestre seja otimizada de forma a aproximar o eixo de direção do ponto de centro da roda na superfície, ou seja, reduzir o raio de escorregamento. Essa variação tornou-se padrão em alguns veículos americanos, como Ford Focus, em alternativa ao simples porém limitado Eixo de Torção. Além disso, também equipa as versões topo de linha das gerações antigas do Volkswagen Golf.

Outra forma aplicada é utilizar um braço transversal de três articulações em um plano superior, como em uma suspensão Braços Sobrepostos, e dois braços transversais inferiores de comprimento desigual. Além disso, um braço longitudinal é utilizado, porém articulado com buchas no monobloco e por pivô na manga de eixo. Nessa variação, o comprimento desigual dos braços inferiores auxilia no controle da convergência da roda, pois a resultante das forças sobre os braços geram momento que equilibram a esterçamento da roda. Enquanto que o braço longitudinal mais bem articulado, ajuda absorver melhor as vibrações da roda, ponto para o conforto. Essa variação foi utilizada em automóveis Honda, no modelo Accord de 1986.

A variação chamada E-link, trata-se de uma variação no qual os braços transversais estão dispostos com inclinação mínima em relação ao eixo de centro da roda, quase paralelos. Estes são articulados por

buchas no subchassi e por pivôs na manga de eixo, enquanto que um robusto braço transversal liga, rigidamente, a manga de eixo ao monobloco. Esta variação é um pouco limitada em termos de desempenho e de espaço ocupado, visto que os braços são conectados na manga de eixo por pivôs, que em geral penalizam um pouco o espaço disponível. Além disso, o amortecedor é do tipo telescópico, montado diretamente sobre a manga de eixo. Foi utilizado no modelo 929 da Mazda em 1988.

Os subtipos exemplificados são mais simples, visto que, possuem menos braços, portanto um projeto menos complexo e que se adapta melhor a aplicações onde orçamento do projeto é um pouco mais limitado. Neste caso, veículos de categoria intermediária e que vendem em vários países. A quantidade de braços também facilitou a adaptação deste conceito de suspensão ao monobloco de veículos, que em geral, utilizam suspensões Eixo de Torção na traseira.

Suspensão dianteira do tipo quatro braços.

Dois Braços inferiores com duas articulações: Este subtipo de suspensão Multi-link aproveita o conceito de suspensão Braços Sobrepostos, decompondo o braço inferior deste em dois braços com duas articulações cada. Então essa variação passa a ter quatro braços, sendo dois inferiores, um superior com três articulações e o terceiro, é o braço da caixa de direção.

Os braços inferiores são dispostos em posições diferentes, um paralelo ao eixo da roda e outro na diagonal. Ambos suportam as cargas transversais, porém o braço paralelo ao eixo da roda suporta a maior parte dessas forças, sendo necessário que suas articulações sejam mais rígidas. O braço diagonal a intensidade dessas forças é menor, pois sua inclinação decompõe as forças sofridas pela roda, de forma que existam cargas longitudinais e laterais sobre o braço. As articulações deste, contudo, são mais flexíveis, pois este já tem que lidar com cargas longitudinais, que são mais relacionadas ao conforto do veículo.

Em algumas aplicações dessa variação, a extremidade de fora dos braços inferiores conectam-se uma na outra, e a partir de um pequeno suporte dotado de bucha, são conectadas na manga de eixo. Isso garante que o ponto de articulação da manga de eixo será único, mesmo com dois braços atuando de forma independente, o que facilita a determinação de um eixo direcional adequado para o projeto. Uma bucha de borracha garante que as vibrações da roda não afetem o funcionamento do sistema.

Além dessa configuração, os braços inferiores também podem estar arranjados de forma que as suas articulações na manga de eixo estejam completamente separadas, ou seja, cada braço inferior possui sua própria articulação na manga de eixo. Dessa forma, o eixo direcional é determinado pela linha liga o pivô do braço superior ao ponto de interseção da extensão da linha dos braços inferiores, e que se estende até a superfície. Essa configuração ajuda a obter um raio de escorregamento menor, de forma a obter um rodar mais confortável devido a menor sensibilidade do volante as vibrações da roda.

As duas configurações citadas acima possuem o mesmo objetivo, obter um menor raio de escorregamento. O que vai determinar a utilização de um ou outro arranjo, são fatores como espaço disponível, escopo e orçamento do projeto.

Braço trapezoidal (sistema integral)

Essa variação de Multi-link com quatro braços utilizar um peculiar braço inferior, seu formato aproxima-se de um trapézio, motivo pelo qual essa configuração é denominada. Também é possível perceber, que se o formato é trapezoidal, os braços não possuem o mesmo comprimento, bem como não estão paralelamente posicionados em relação ao eixo da roda.

Os braços superiores, derivados de um braço de três articulações, não estão na mesma altura, consequentemente um destes encontra-se entre o braço superior mais alto e o braço inferior, e é frequentemente destinado ao controle de convergência da roda, sendo então o braço de toe.

Visto que os braços desse arranjo de Multi-link são todos transversais, as forças longitudinais sobre a roda tendem a gerar momentos nos braços. Para isso, as buchas são desenvolvidas para lidar com as cargas de cada braço, porém, para reduzir a tendência desses momentos é utiliza uma pequena ligação que conecta o braço de toe ao braço integral.

Essa variação de suspensão é utilizada no eixo traseiro, sua disposição mostra-se adequada para receber eixos trativos, visto que o posicionamento dos braços permite o compartilhamento de espaço com semi-árvores.

Dois Braços longitudinais e dois braços transversais

Trata-se de uma variação antiga da suspensão Multi-link. Os quatro são divididos em pares longitudinais e transversais, estes paralelos a semi-árvore. Esta variação foi utilizada em veículos da década de 60, ainda sobre configuração chassi e carroceria.

O par de braços longitudinais são aproximadamente paralelos, ligam no chassi de longarinas a manga de eixo. Suportam as forças longitudinais que a roda é submetida, além de permite o movimento vertical e controlado da roda.

O par de braços transversais estão expostos as cargas transversais, e limitam o movimento da roda em direções que provocam a variação de cambagem e convergência.

Um Braço diagonal e três braços laterais

Na variação que utiliza um braço longitudinal e três transversais observou-se que, o braço longitudinal era o único a não ser conectado ao subchassi. Isto revela-se um problema, pois transmite uma parte das vibrações da roda para a carroceria, que é um dos pontos fracos da suspensão McPherson (leia mais). Visto que se trata de um sistema de suspensão desenvolvido para lidar com diversas variáveis e ainda obter bom desempenho e conforto, a saída para tal problema foi inclinar o braço longitudinal de forma que este passe a ser conectado, em uma de suas extremidades, ao subchassi e não mais diretamente na carroceria.

O sistema conserva características semelhantes a variação com braço longitudinal, é destinada ao eixo traseiro, apresenta um braço superior com três articulações e dois braços transversais inferiores, sendo um destes alojando o amortecedor telescópico e o outro, é o braço de toe. Estes três braços controlam as cargas laterais, enquanto que o braço diagonal, agora, está exposto a cargas longitudinais e laterais.

Esta variação surgiu para ser utilizada em veículos intermediários, mas de forma reduzir os inconvenientes que a versão com braço longitudinal, contudo, deixava passar. Ainda assim, é um sistema complexo e utilizado em veículos de marcas premium.

Multi-link de cinco braços

Esta variação é obtida decompondo dois braços de três articulações de uma suspensão Braços Sobrepostos. Deste são formados quatro braços com duas articulações cada, a disposição e formato dos braços é determinado pelos requisitos do projeto e pelo espaço disponível para a suspensão. Como esse sistema pode ser utilizado tanto no eixo dianteiro como no eixo traseiro, sendo estes trativos ou não, o quinto braço no primeiro caso é o braço axial da caixa de direção, enquanto no segundo caso é o braço de toe.

Multi-link de cinco braços no eixo dianteiro

A aplicação deste tipo de Multi-link é motivada pelo maior controle da roda. Com quatro braços independentes, é mais fácil atender aos requisitos como esforço para girar o volante e conforto. Esses requisitos são resultante do raio de escorregamento reduzido, pois o projetista para dimensionar e posicionar os braços de forma a ter uma inclinação do pino mestre que reduza aquele parâmetro.

Essa característica para uma suspensão dianteira é fundamental, pois é possível reduzir a sensibilidade do sistema de direção em relação a vibração das rodas, além do esforço de acionamento do volante.

Multi-link de cinco braços para o eixo traseiro

(foto10)

Quando aplicada no eixo traseiro, seja ela transmissor de potência ou não, os quatro braços continuam com a mesma função, controle da roda sob forças longitudinais e transversais. Porém, nesta aplicação, o quinto braço é uma conexão chamada braço de toe, e evita que a roda varie excessivamente sua convergência.

O braço de toe é uma ligação da manga de eixo ao subchassi feita por articulações, assim como os demais braços. Porém, nesta variação, a posição deste localiza-se no mesmo plano do eixo da roda, mas nem sempre estão paralelos a este. Existem aplicações em que este braço está inclinado em relação em relação ao eixo da roda, variando de 3° a 10° de inclinação. A BMW tem como padrão essa configuração do braço de toe.

Suspensão five link traseira BMW

Como resultado, o braço de toe pode ser maior, visto que está inclinado, decompõe as forças que por ele fluem e reduz a sensibilidade da roda a essas cargas. As articulações podem ser mais simples, podendo se utilizar buchas de borracha nas duas extremidades. É importante salientar, que o comportamento das buchas sob carga é determinante para o comportamento do veículo em situações de curva, muitas vezes são definidas propositalmente para incitar o veículo a ter um comportamento mais seguro.

Os demais braços estão posicionados na transversal, são independentes e se conectam a manga de eixo por meio de pivôs e buchas, no subchassi. A disposição destes braços é uma forma de, tanto obter a inclinação do pino mestre ideal, como adequar o tipo de suspensão ao espaço disponível no monobloco. Essa disposição, em muitos casos, apresenta braços inclinados e em planos diferentes. Nesta situação, os pares braços superiores e inferiores estão inclinados de forma que a extensão de seu eixo intercepte o eixo do outro braço, e estão desnivelados, pois seus pontos de ancoragem são desencontrados. O objetivo é tornar-se esses braços mais próximos um do outro, de modo que o KPI seja o melhor possível.

Outra configuração adotada, neste caso, pela Mercedes-Benz, é posicionar o par de braços superiores de forma cruzada, mais precisamente, conectado em um mesmo ponto na manga de eixo, sendo então uma outra forma de obter o KPI adequado para os requisitos do sistema.

Por conta da maior quantidade de braços, é natural que esta variação de Multi-link ocupe mais espaço, pesa contra também o fato de todas os braços necessitarem de pivôs em suas conexões com a manga de eixo, o que também penaliza o conjunto nesse quesito. Para amenizar esse ônus, algumas vezes os braços são posicionados a frente dos amortecedores, isto quando os respectivos são telescópicos. Quando não, compartilham espaço entre os braços.

Componentes

Em geral, os sistemas de suspensão Multi-link são compostos por:

• Manga de eixo (4);
• Braços de suspensão (1, 2, 5, 6 e 3);
• Subchassi;
• Amortecedor e mola;
• Barra estabilizadora;
• Pivôs e buchas.

Manga de eixo

É o componente responsável por prover o esterçamento das rodas, através de articulações que permitem seu giro. Serve de mancal para a semi-árvore quando for um eixo de transmissão. Possui ponto de conexão para os braços de suspensão e braço de direção.

Braços de suspensão

Trata-se do elemento que conecta a roda a carroceria do veículo, permitindo que esta execute um tipo de movimento apenas, o movimento vertical. Neste tipo de suspensão, possui duas articulações, para impedir que este venha a se flexionar. Portanto, sofrem esforços de tração e compressão.

Por vezes, alojam as molas da suspensão e quando não, são desenhados de forma a dividir espaço com esta. Como espaço é um fator importante na definição do projeto de um suspensão Multi-link, são encontrados os mais variados formatos e posições de braços nos veículos que a possuem. Em geral, apresentam de duas a três articulações, podem estar paralelos ao eixo da roda ou inclinados. Além disso, podem ser montado de forma desnivelada, tudo isso para se obter o melhor controle da roda e negociar espaço com os demais componentes do veículo.

A ancoragem dos braços no subchassi, em algumas aplicações, possuem pontos de ajuste para a manutenção do alinhamento das rodas. Esta geralmente é feita por buchas de borracha.

Subchassi

Também chamado de agregado, o subchassi possui a função de ser uma interface entre e a carroceria e a suspensão, de modo que parte das vibrações da roda que não foram atenuadas sejam ali filtradas. Os braços são conectados, através de buchas, neste componente. Embora seja de grande ajuda no isolamento acústico do veículo, é também um peso extra que é considerado no projeto.

Amortecedor e mola

Com função conhecida, amortecedores e molas podem ser do strut (amortecedore telescópicos) ou separados. As molas, na grande maioria das aplicações são do tipo helicoidais, e estão suportadas inferiormente pelos braços de suspensão enquanto as molas são fixadas na manga de eixo ou no braço de suspensão, e na parte superior é fixada na carroceria.

Por este conceito de suspensão ser frequentemente utilizado em carros de luxo, é comum a utilização de suspensão ativa com mola pneumáticas.

Barra estabilizadora

Com o objetivo reduzir o rolling, este componente também é utilizado nas suspensões Multi-link. A barra estabilizadora fixada nas mangas de eixo e suportada no seu centro, mas de forma que esta possa se flexionar.

Pivôs e buchas

São articulações utilizadas nos braços de suspensão, o objetivo destas é conferir aos braços a capacidade de girar sobre o próprio eixo, mesmo que de uma forma limitada, para evitar que estes venham a sofrer flexão. Isso seria uma carga a mais para os braços.

Os pivôs são mais robustos e por ser uma junta esférica, permite o movimento relativo do braço em relação manga de eixo. Enquanto que as buchas, são componentes mais baratos e não permissíveis quando os pivôs. As buchas são desenvolvidas de forma que a borracha deste possui dureza variável, para lidar com as diferentes cargas nos quais o braços são submetidos. Além disso, a dureza das buchas é determinante tanto para o conforto do veículo, como para seu comportamento em algumas situações.

Funcionamento

Em virtude da maior quantidade de braços de suspensão, maior será o controle sobre a roda. Basicamente, os braços controlam o posicionamento das rodas quando expostas a cargas transversais e longitudinais.

As cargas transversais ou laterais surgem em situações de contorno de curvas e mudanças de trajetória. Enquanto que as cargas longitudinais aparecem quando o veículo se desloca, seja em aceleração ou desaceleração.

As cargas agem sobre os braços de suspensão provocando momentos nestes que tendem a girar os braços e assim, alterar o posicionamento das rodas. Quando os braços são todos transversais devem lidar com os dois tipos de cargas, de forma que quando expostos a cargas laterais, tendem a prejudicar o posicionamento das rodas durante situações de frenagem. Nas suspensões que possuem um braço longitudinal e os demais transversais, o controle das rodas sobre estas situações é mais efetivo.

Os braços, basicamente, reduzem o grau de liberdade da roda a ponto desta poder, apenas, se deslocar verticalmente. Por isso, quando as rodas encaram um obstáculo longitudinal, ou simplesmente sua resistência a rolagem, a força contra o movimento tende deslocar roda para trás, que geraria um momento nos braços e se as buchas cederem excessivamente, irão alterar drasticamente a convergência das rodas. O mesmo vale para quando estamos acelerando, porém em sentido inverso, pois a força trativa é para frente.

Quando ocorrem situações de curva ou mudança de trajetória, as cargas transversais são resistidas pelas braços de suspensão, porém podem gerar momentos sobre os pontos de fixação que se não devidamente absorvidos podem alterar a cambagem das rodas. A alteração excessiva da posição das rodas durante as curvas pode alterar drasticamente o comportamento do veículo.

Sendo o movimento vertical o único permitido, embora com as devidas resistências da mola e do amortecedor, a maior quantidade de braços restringe ao máximo o posicionamento da roda durante os deslocamentos verticais da roda.

Manutenção

Por ser um sistema de suspensão independente, diversas variáveis podem alterar o correto alinhamento da roda e estas precisam de verificação periódica. Em geral, suspensões possuem manutenções corriqueiras simples, como troca de amortecedores, buchas elásticas e pivôs.

O sistema de suspensão Multi-link requer alinhamento periódico independente do eixo no qual o conceito for aplicado. O alinhamento é feito através de pontos de fixação dos braços que permitem ajustes, geralmente furos oblongos que permitem a alteração da posição dos parafusos. Entretanto, para que o alinhamento seja permitido, as articulações devem estar em bom estado, as buchas não podem estar rachadas ou com sinais de degradação. Bem como os pivôs devem estar íntegros e com sua lubrificação operante.