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Estudo da suspensão four link, introdução a conceitos e tipos de suspensão e o que se precisa saber sobre a suspensão four link, anti-squat, roll-center, cambagem e axe roll.
Tipologia: Trabalhos
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Aline dos Santos Costa Bruno Martins Gomes Filho Cesar Augusto Fernandes Diogo de Melo Pereira Jo˜ao Pedro Rossetto
Arcos
Projeto apresentado `a disciplina de TAI III- Trabalho Acadˆemico Integrador - do curso de Engenharia Mecˆanica ministrado no Ins- tituto Federal de Educa¸c˜ao, Ciˆencia e Tec- nologia de Minas Gerais - Campus Avan¸cado Arcos
Orientador: Prof. M´arcio Rezende Santos
Arcos
Com o objetivo de realizar um estudo sobre o sistema de suspens˜ao four-link, utiliza- mos t´ecnicas de simula¸c˜oes computacionais para analisar o desempenho e comportamento desse sistema em ve´ıculos 4x4 espeficamente off-road de alta performance. Para conduzir o estudo, empregamos o software Shark para gerar modelos e gr´aficos a serem compara- dos. Neste trabalho, foram abordados diversos tipos de suspens˜oes, como a dependente, independente e McPherson, bem como os conceitos relacionados a uma suspens˜ao, como a cambagem, anti-squat, entre outros. Conclu´ımos que o sistema four-link apresenta me- lhores resultados do que outras suspens˜oes no contexto off-road, oferecendo assim uma resposta ao tema proposto por este trabalho. Palavras-chaves: 4x4, four-link, suspens˜ao, estudo.
1 INTRODUC¸ ˜AO
Desde 1886, quando Karl Benz registrou a primeira patente de um autom´ovel por motor a combust˜ao, os autom´oveis tˆem sido relevantes na sociedade, influenciando ind´ustrias, mudando padr˜oes e promovendo inova¸c˜oes tecnol´ogicas. Dentre essas inova¸c˜oes ao longo do tempo, que permeiam os componentes dos ve´ıculos e suas disposi¸c˜oes, ´e poss´ıvel observar o desenvolvimento do sistema de suspens˜ao , que ´e fundamental para o desempenho do mesmo. off-road (??). O sistema de suspens˜ao veicular ´e utilizado para minimizar os impactos cau- sados por diversos fatores associados a movimenta¸c˜ao dos ve´ıculos, esses fatores variam em rela¸c˜aoas diferentes situa¸c˜oes na qual o sistema estar´a exposto (REFERENCIA). Oˆ projeto do sistema de suspens˜ao automobil´ıstico ´e planejado a partir da defini¸c˜ao do am- biente de utiliza¸c˜ao do ve´ıculo, considerando, por exemplo, caracter´ısticas f´ısicas como o relevo e o solo. Dentre os v´arios tipos de ambientes, um ser´a destacado neste projeto, o Off-road, que se define como natural, sendo assim altamente acidentado e irregular. Considerando tais caracter´ısticas f´ısicas adversas como os ressaltos, a nivela¸c˜ao do percurso, a sinuosidade, os fatores cin´eticos e dinˆamicos, for¸cas e momentos que est˜ao presentes no contato da roda com o solo, assim como a frenagem, dirigibilidade e desem- penho em retas e em curvas, todos esses fatores ser˜ao elementos preponderantes para o desenvolvimento do projeto de um sistema que dever´a sempre considerar a otimiza¸c˜ao no comportamento da dire¸c˜ao, na seguran¸ca e no desempenho. Segundo Reimpell (2001), est˜ao surgindo diversos tipos de sistemas de sus- pens˜ao diferentes e as mais usuais no mercado automotivo s˜ao:
Assim, pode-se constatar que o modelo citado no projeto tem papel preponderante tanto para a fun¸c˜ao que se espera do ve´ıculo como para a seguran¸ca e dirigibilidade.
Figura 1: Jeep Wrangler Hellboy
Fonte: (Planeta OFF ROAD)
Os principais ve´ıculos utilizados para serem colocados em condi¸c˜oes extremas nos diferentes tipos de terrenos s˜ao os utilit´arios 4x4. Nesses ve´ıculos o tipo de suspens˜ao mais utilizada ´e a suspens˜ao dependente, devido a sua maior resistˆencia. No caso de carros off-road que s˜ao feitos somente para circular em terrenos de competi¸c˜oes s˜ao utilizadas suspens˜oes do modelo “four-link” ou “quatro bra¸cos”, que consistem em 4 barras separadas que seguram o eixo r´ıgido. A escolha do four-link foi devido ao pouco entendimento dos membros do grupo e a relevˆancia na engenharia mecˆanica, que dentro da disciplina abrange a an´alise e projeto de m´aquinas, e sistemas mecˆanicos. Compreender o funcionamento dos mecanismos do four-link ´e de grande importˆancia e agrega bastante para a forma¸c˜ao de engenheiros competentes nessa ´area.
Estudar o efeito da suspens˜ao four-link em rela¸c˜ao ao desempenho em off- road e a resposta do ve´ıculo a diferentes tipos de obst´aculos em situa¸c˜oes fora de estrada, avaliando a rela¸c˜ao custo-benef´ıcio dessa tecnologia em rela¸c˜ao a outras op¸c˜oes dispon´ıveis no mercado, bem como proposi¸c˜ao de melhorias ou modifica¸c˜oes que possam otimizar
2 FUNDAMENTAC¸ ˜AO TE ´ORICA
Tendo em vista que o sistema de suspens˜ao veicular visa reduzir as for¸cas e os momentos transmitidos pela roda em contato com o solo ´aspero e irregular, esse sistema possui fun¸c˜oes prim´arias, como fornecer a conformidade vertical, no que se refere `a capacidade do sistema de absorver as irregularidades do solo e permitir que as rodas copiam o trajeto do terreno sem prejudicar a estrutura do ve´ıculo e seu passageiro; manter as rodas na altitude de dire¸c˜ao e inclina¸c˜ao em rela¸c˜ao ao terreno; controlar as for¸cas longitudinais e as for¸cas laterais exercidas pela roda, que se baseia em acelera¸c˜ao, frenagem e for¸cas exercidas pela curva; resistir a rolagem do chassi, que se refere a inclina¸c˜ao horizontal do ve´ıculo em rela¸c˜ao ao solo, e por fim sempre manter os pneus em contato com o solo com a devida distribui¸c˜ao de carga (GILLESPIE,1992).
3 SUSPENS ˜AO VEICULAR
O sistema de suspens˜ao tem como fun¸c˜ao atuar na absor¸c˜ao de impactos e vibra¸c˜oes de modo a garantir a estabilidade do ve´ıculo bem como o conforto e a seguran¸ca dos passageiros (GILLESPIE, 1992). O desempenho cinem´atico de um ve´ıculo ´e diretamente dependente da res- posta que a suspens˜ao tem em rela¸c˜ao `as for¸cas e momentos propagados da roda para o chassi. Sendo assim, existem dois tipos de suspens˜oes, a suspens˜ao independente, no qual uma roda oscila livremente sem influenciar a outra e a suspens˜ao dependente, que con- siste no uso de um eixo r´ıgido em que as duas rodas se encontram integralmente ligadas (GILLESPIE,1992)
A suspens˜ao independente segundo (GILLESPIE,1992), concede um movi- mento vertical para a roda sem depender da outra, que favorece uma melhor absor¸c˜ao de vibra¸c˜oes transmitidas pelo atrito da roda com o solo. Esse tipo de suspens˜ao fornece um espa¸co maior para o motor, e tem uma melhor resistˆencia no balan¸co e trepida¸c˜ao na dire¸c˜ao, em rela¸c˜ao ao sistema de eixo r´ıgido.
Figura 2: Suspens˜ao independente
Fonte: (MILLIKEN, 1995)
Uma das principais vantagens desse tipo de suspens˜ao ´e a sua capacidade de oferecer uma dirigibilidade precisa, conforto para os ocupantes do ve´ıculo, e uma melhor aderˆencia dos pneus ao solo. Al´em disso, ela ajuda a prolongar a vida ´util dos pneus e dos componentes da suspens˜ao, reduzindo os desgastes das pe¸cas. Entretanto, a suspens˜ao independente exige uma maior taxa de manuten¸c˜ao do que a suspens˜ao dependente, devido `a complexidade dos seus componentes e sistemas. Em tese, a suspens˜ao independente ´e uma op¸c˜ao vi´avel para ve´ıculos de passeio e esportivos.
Em contraste com o sistema de suspens˜ao independente, o modelo dependente ´e aquele em que as rodas est˜ao ligadas a um eixo r´ıgido, de modo que qualquer movimento de uma roda ´e transmitido para a outra oposta no eixo, fazendo com que um lado seja equivalente ao outro.
Figura 3: Suspens˜ao dependente
Fonte: (MILLIKEN, 1995)
Embora a suspens˜ao dependente n˜ao tenha uma tra¸c˜ao e um conforto equiva- lente a suspens˜ao independente, ela tem algumas vantagens como por exemplo a robustez, manuten¸c˜ao facilitada e um suporte maior em quest˜ao de carga.
do ve´ıculo, enquanto a mola e os amortecedores s˜ao fixados na carroceria e no bra¸co de controle inferior. Quando o ve´ıculo passa por solavancos na estrada, o bra¸co de controle infe- rior se move para cima ou para baixo, causando uma compress˜ao ou extens˜ao da mola helicoidal e um movimento para dentro e para fora dos choques. Isso ajuda a absorver os impactos e proporciona uma condu¸c˜ao mais suave. Suspens˜oes do tipo McPherson s˜ao amplamente empregadas em eixos dianteiros, mas ela tamb´em pode ser instalada no eixo traseiro. A principal vantagem da estrutura McPherson ´e que todas as partes que comp˜oem a suspens˜ao e o controle das rodas podem ser combinadas em uma ´unica mon- tagem (REIMPELL, 2001).
Figura 5: MacPherson
Fonte: (JOCAR, 2020)
3.3.3 Wishbone
A suspens˜ao wishbone, tamb´em conhecida como suspens˜ao de bra¸co duplo, ´e um sistema de suspens˜ao independente utilizado em ve´ıculos para aprimorar o controle e a capacidade de absor¸c˜ao de impactos em terrenos acidentados. O sistema ´e composto por dois bra¸cos triangulares, que se conectam ao corpo do carro atrav´es de buchas e pivˆos e possuem molas e amortecedores em suas extremidades. Essa op¸c˜ao ´e comumente
encontrada em carros de alto desempenho, proporcionando melhor manuseio em curvas e maior estabilidade em altas velocidades. No entanto, o custo e a complexidade de produ¸c˜ao s˜ao maiores em compara¸c˜ao a outras op¸c˜oes de suspens˜ao, o que limita sua utiliza¸c˜ao a ve´ıculos de maior valor.
Figura 6: Wishbone
Fonte: (NAKATA,2021)
3.3.4 Multilink
A suspens˜ao multilink ´e um sistema de suspens˜ao independente que utiliza m´ultiplas hastes e bra¸cos de controle para conectar a roda ao chassi do ve´ıculo. Isso per- mite que cada roda se mova independentemente, melhorando a estabilidade e a aderˆencia do ve´ıculo, especialmente em curvas e altas velocidades. Embora seja comumente usado em carros esportivos e de luxo, a suspens˜ao multilink pode ser mais complexa e possui um custo mais alto para fabricar do que outros tipos de suspens˜ao. A suspens˜ao traseira mostrada na figura caracteriza-se pela utiliza¸c˜ao de ar- ticula¸c˜oes nas conex˜oes existentes nas pontas das barras, o que elimina os momentos fletores, tornando a suspens˜ao traseira independente em cada roda.
4 FOUR LINK
Uma suspens˜ao ´e projetada para diminuir os impactos exercidos no carro pe- las irregularidades das estradas, oferecendo uma rodagem mais segura e mais confort´avel aos seus ocupantes, proporcionando estabilidade, maneabilidade, tra¸c˜ao e seguran¸ca por exemplo. Cada tipo de suspens˜ao ´e projetada e criada considerando as caracter´ısticas espec´ıficas de cada ve´ıculo, como seu custo final, aplica¸c˜ao em tipos de estradas e outros fatores relevantes. E fundamental que os propriet´´ arios de ve´ıculos possuam um conhe- cimento b´asico desse sistema, afim de compreender e lidar com o seu funcionamento cotidiano ou at´e mesmo detectar problemas e realizar uma manuten¸c˜ao. No contexto do nosso trabalho, foi selecionado um modelo de suspens˜ao traseira denominado four-link para ser utilizado em competi¸c˜oes off-road de alta performance.
Figura 8: off-road de alta performance
Fonte: (Genio 4x4)
O four-link ´e um modelo de suspens˜ao traseira ou dianteira que utiliza quatro bra¸cos controladores, sendo dois bra¸cos superiores e dois bra¸cos inferiores. O conjunto de bra¸cos s˜ao conectado ao chassi do ve´ıculo em um ponto e a roda em outro ponto. Esse modelo foi criado para ser usado em suspens˜oes independentes em raz˜ao da sua capaci- dade de oferecer controle de movimento preciso, estabilidade, ajustabilidade e conforto de condu¸c˜ao. Al´em disso os quatro bra¸cos controladores permitem um ajuste mais preciso da geometria, possibilitando uma maior precis˜ao no roll center, axle roll e o anti-squat por exemplo.Essas caracter´ısticas tornam essa configura¸c˜ao adequada para uma variedade de aplica¸c˜oes automotivas. Sendo assim, o four-link ´e bastante utilizado em carros de corrida de alta performance, carros esportivos e etc. Entretanto, existe o modelo four-link em eixos r´ıgidos utilizados em ve´ıculos off-road de alta performance, com os quatro bra¸cos controladores sendo independentes em suas movimenta¸c˜oes verticais, permitindo uma maior liberdade na tor¸c˜ao do eixo traseiro e possibilitando que o ve´ıculo enfrente uma grande variedade de desafios e obstaculos como rochas, montanhas, pedras soltas e etc, sem comprometer o desempenho da suspens˜ao dianteira ou traseira.
horizontal do ve´ıculo, ou seja, com uma carga distribu´ıda incorretamente, o ve´ıculo pode vir a tombar numa curva. E segundo (GILLESPIE,1992), o roll center ´e determinado pela geometria da suspens˜ao, altura do centro de gravidade e a distribui¸c˜ao da carga.
Figura 10: ROLL CENTER
Fonte: (Technical F1 Dictionary)
Axle roll ´e um conceito que define o movimento longitudinal da carroceria do ve´ıculo em torno do eixo, ou seja, quando a suspens˜ao dianteira comprime a suspens˜ao traseira, pelo contr´ario tende a n˜ao comprimir e vice-versa. Segundo (GILLESPIE,1992), o axle roll interfere na distribui¸c˜ao de carga, afetando a estabilidade e aderˆencia direcional do ve´ıculo. Entretanto, esse conceito pode ser minimizado pelo ajuste da altura do centro de gravidade, a rigidez da suspens˜ao e a geometria dos bra¸cos de controle.
O anti-squat ´e definido como uma resistˆencia `a compress˜ao que a suspens˜ao traseira possui durante uma acelera¸c˜ao. Ou seja, quando um ve´ıculo tem uma acelera¸c˜ao diferente de 0, a suspens˜ao traseira tende a comprimir, por causa do aumento de carga no eixo traseiro. Dito isso, ´e poss´ıvel observar o fenˆomeno axle roll, que com a compress˜ao da suspens˜ao traseira, ocorre a descompress˜ao da dianteira,que pode levar a perda de tra¸c˜ao do ve´ıculo.
Figura 11: Anti squat
Fonte: (MILLIKEN, 1995)
Segundo (MILLIKEN,1995), o anti-squat ´e afetado pelo centro de gravidade do ve´ıculo, pela altura desse centro de gravidade em rela¸c˜ao ao solo e pelo ˆangulo dos bra¸cos superiores em rela¸c˜ao ao solo, e que o anti-squat ideal n˜ao pode ser muito alto, visando sempre a manter o ve´ıculo tracionado. Em um cen´ario off-road, o anti-squat se torna uma vari´avel de suma im- portˆancia, pois em contraste com ve´ıculos de arrancada por exemplo, os ve´ıculos 4x por muitas vezes aceleram em um percurso acidentado, e se observa uma dificuldade para manter a tra¸c˜ao dianteira levando em considera¸c˜ao que os ve´ıculos off-road de alto desempenho possui uma maior altura do centro de gravidade rela¸c˜ao solo, aos demais ve´ıculos.
As molas desempenham um papel fundamental no sistema de suspens˜ao do ve´ıculo, garantindo seu funcionamento. Esses componentes s˜ao respons´aveis por manter o ve´ıculo na altura mais adequada e proporcionar a flexibilidade necess´aria para absorver os impactos provenientes da superf´ıcie da estrada. As molas se comprimem e se estendem de acordo com os movimentos do ve´ıculo, sustentando-o de maneira adequada e evitando qualquer press˜ao incorreta sobre o sistema de suspens˜ao durante esse processo. Uma das caracter´ısticas fundamentais da mola ´e a for¸ca el´astica, que ´e a for¸ca exercida em uma mola quando esticada, comprimida ou deformada. Ela pode ser repre- sentada pela Lei de Hookie.
f = k.x (1)
