Molas e barras estabilizadoras

De forma a manter o contacto da pegada do pneu com o solo o mais constante possível e evitar a instabilidade do veículo e/ou do piloto, os carros de competição devem possuir molas no sistema de suspensão. As molas permitem que as rodas se movam na vertical em reacção a acelerações, ou seja, elas “amortecem” as irregularidades do solo e os movimentos da carroceria.

Como parte da massa do veículo está suspensa, as acelerações longitudinais e transferências de carga impõem movimento vertical enquanto a aceleração centrífuga impõe o movimento de roll da massa suspensa. As irregularidades do solo originam a movimentação das rodas (massa não-suspensa) em relação ao chassis. Todos estes comportamentos são absorvidos pelas molas pelo que elas têm que armazenar grandes quantidades de energia. Se esta energia não fosse dissipada por um amortecedor, o veículo iria descrever um movimento harmónico em detrimento do conforto do piloto e do contacto dos pneus com o solo.

A deformação vertical causada por uma dada aceleração ou a sua resultante transferência de carga é determinada pela taxa de resistência ao movimento vertical (ou ride rate) expressa em Newton’s de força necessária para causar a deformação de um milímetro medida ao centro da roda. A resistência ao roll (ou roll rate) do chassis causada por uma dada aceleração centrífuga é determinada pela taxa de resistência ao roll, expressa em Newton’s de força necessária para gerar um grau de roll. Esta força resultará da compressão das molas exteriores no roll e da resistência das barras estabilizadoras. As taxas de resistência ao movimento vertical e ao roll dependem, então, das constantes elásticas das molas e das barras estabilizadoras integradas no sistema de suspensão do veículo. [3]

Neste capítulo iremos analisar o tipo de molas mais usadas na indústria automóvel e principalmente em competição, as molas helicoidais. Estas molas utilizam as propriedades elásticas de um arame (filamento) em torção para produzir uma constante elástica rectilínea. A configuração mais comum é em forma de hélice na qual o diâmetro médio do arame é constante tal como o diâmetro médio da mola (molas lineares). No entanto existem molas nas quais o diâmetro do filamento é variável tal como o diâmetro médio da mola (molas

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29 progressivas). As molas helicoidais podem ser concebidas para o uso á compressão ou á tracção mas neste ponto iremos focar o tipo de molas helicoidais usadas nas suspensões dos veículos, ou seja, molas de compressão e com diâmetro constante e filamento de secção circular. A Figura 25 fornece a nomenclatura para a mola helicoidal e a Figura 26 os tipos de acabamento do filamento usados nas molas helicoidais de compressão. [4]

Figura 25 – Detalhes e parâmetros das molas helicoidais de compressão.

Figura 26 – Acabamentos típicos das molas helicoidais de compressão.

Os parâmetros apresentados na Figura 25 que são relevantes para a determinação da constante elástica das molas são:

• O comprimento livre da mola não comprimida – L, milímetros.

• O diâmetro do filamento – d, milímetros.

• O diâmetro médio da mola – D, milímetros.

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30 No entanto, para a contabilização do número de espiras activas terão de ser considerados os parâmetros da Figura 26.

A máxima tensão de corte, f, da mola helicoidal devida a uma carga, W, é dada por:

8

_π

A constante elástica da mola é dada por:

 _8_ _{ } 

Frequência Natural da mola para uma dada massa m em kg:

ω

  

O posicionamento físico das molas da suspensão determina a resistência ao roll que elas fornecem. A Figura 27 ilustra uma única mola montada no centro do veículo. Obviamente neste caso a resistência ao roll é efectivamente zero e a massa suspensa é muito instável. No entanto, se substituir-mos a mola central da Figura 27 por um par de molas montadas nas extremidades tal como representado na Figura 28, seleccionando as constantes elásticas das molas podemos atingir o mesmo ride rate da suspensão anterior, mas agora as molas irão oferecer uma grande resistência ao roll assim como a estabilidade da massa suspensa. [5]

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31 Figura 28 – Suspensão com resistência ao roll.

Por outro lado, se as molas da suspensão forem demasiado rígidas para evitar o roll da massa suspensa até ao limite desejado a suspensão irá tornar-se demasiado rígida, pelo que o pneu irá perder o contacto com o solo quando o piso for irregular. Por isso, as molas têm de ser mais suaves para permitir o contacto do pneu com o solo e recorre-se ao uso de barras estabilizadoras (anti-roll bars) para limitar o roll da carroceria e controlar as variações de camber das rodas. Quanto menor for a resistência ao roll das molas, maior rigidez as barras estabilizadoras terão que ter. Por outro lado, não existe forma de amortecer a acção das barras estabilizadoras – os amortecedores apenas actuam na compressão e extensão da mola. Quanto maior for a compressão da mola por grau de roll do chassis, mais elevadas serão as forças resultantes do roll que terão de ser amortecidas pelos amortecedores da suspensão. Teoricamente a falta de amortecimento, neste caso, pode levar á condição em que a massa suspensa oscila durante o roll.

No entanto, a elevada rigidez de uma barra estabilizadora poderá trazer alguns problemas noutras áreas. A primeira consideração decorre da natureza da própria barra estabilizadora, uma vez que esta não é mais do que uma barra de torção que está fixa á massa suspensa (mas tem liberdade de rotação nos seus apoios) com ligação á massa não-suspensa nas suas extremidades. Se ambas as rodas do mesmo eixo de movimentarem na mesma direcção e ao mesmo tempo, como na situação de o veículo passar sobre uma lomba, ou se a massa não- suspensa se movimentar verticalmente devido a uma transferência de carga, a barra estabilizadora apenas rodará nos seus apoios, ou seja, a sua contribuição será nula. Quando a massa suspensa entra em roll, a barra resiste a este movimento com uma força directamente proporcional á rigidez da barra, e inversamente proporcional ao comprimento do “braço” pela qual ela é accionada. Este componente também transfere carga lateralmente da roda menos carregada para a mais carregada, tal como a compressão das molas exteriores. Infelizmente quando apenas uma das rodas se movimenta na vertical, a barra estabilizadora é accionada e o movimento das duas rodas de um eixo deixa de ser completamente independente e a carga será transferida pela barra para a outra roda de um mesmo eixo.

Assim, as barras estabilizadoras (ver Figura 29) restringem a tendência de roll da massa suspensa sem aumentar o ride rate da suspensão. Estes componentes também diminuem a independência das suspensões e transferem carga. As barras estabilizadoras têm outra função de extrema importância – elas permitem alterar fácil e rapidamente o equilíbrio entre

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intervir nas transferências de massa e As barras estabilizadoras são c da Figura 29.

Figura 29 – Constante elástica k de uma barra estabilizadora em aço de secção circular. D – diâmetro exterior da barra

efectivo (mm), C – braço actual (mm).