Funcionamento e detalhes das molas de suspensão


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Amortecedores e molas trabalham em conjunto, reagem sobre as oscilações verticais da roda. Entretanto, essa reação ocorre de forma diferente em ambos. As molas, conteúdo deste artigo, trabalham durante todo o momento, seja quando o veículo está parado, seja quando encontra-se em movimento.

Entretanto, os amortecedores apenas entram em ação quando movimento relativo entre as rodas, em outras palavras, a inclinação da carroceria. E isso pode ocorrer em diversos momentos como em curvas, retomada de velocidade e frenagens, são alguns exemplos.

Dessa forma, a rigidez das molas determina a frequência e amplitude máxima dos movimentos verticais da suspensão, ou seja, as molas são um elo determinante do veículo. Se este terá uma configuração voltada para o conforto ao rodar, admitindo certo nível inclinação da carroceria (rolling) ou se este será um pouco mais rígido, permitindo respostas rápidas e precisas e permitindo, também, que o motorista tenha um certo desconforto.

 

Função

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Durante a condução de um veículo, as irregularidades da pista provocam nas rodas movimentos verticais. Em resposta as essas irregularidade, a roda sobe e desce a uma determinada aceleração. A oscilação da roda pode ser analisada através da amplitude e da frequência com que essa sobe e desce rapidamente.

Essa oscilação é transmitida da roda para a suspensão e desta para a carroceria, ou seja, da massa não suspensa para a massa suspensa. O quão essa oscilação é transmitida é determinado pela constante da mola (spring rate). A partir desta determina-se rigidez da mola. Algumas análises mostram que a oscilação da roda transmitida para a massa suspensa tem relação com frequência da mesma. A engenharia busca um compromisso da frequência de oscilação da roda com a maciez da suspensão, de forma que esta não atinja níveis elevados a ponto de comprometer o conforto do veículo. Quanto maior oscilação, maior será a frequência e esses atributos caracterizam as molas de elevada constante. Por outro lado, se a oscilação é menor, baixa aceleração da roda em seu movimento vertical, menor será a frequência de oscilação da roda, o que significa dizer que uma mola de baixa constante está sendo utilizada.

A engenharia determina, durante a concepção do projeto, as características da mola. Uma vez determinadas, o comportamento fundamental do veículo está definido. As molas acumulam a energia dos impactos da pista sobre a roda de acordo com a constante da roda, e a partir desta determina-se se o veículo é mais voltado para o conforto ou para dirigibilidade.

Tipos
Conjunto de molas pneumáticas de kits de conversão para suspensão

Conjunto de molas pneumáticas de kits de conversão para suspensão a ar.
Crédito foto: http://st.hotrod.com

As molas utilizadas para sistemas de suspensão automobilísticos se dividem em duas categorias básicas:

  • Mecânicas;
  • Pneumáticas.

Neste artigo abordaremos as mecânicas, por sua complexidade e variação, agregar este assunto às molas pneumáticas deixaria o artigo extenso. Além disso, as molas pneumáticas para aplicações automobilísticas civis, ou seja, exceto veículos pesados, agrícolas e industriais, são utilizadas em veículos topo linha e, são pouco vistas nas oficinas convencionais.

As molas mecânicas são padrões na suspensão automobilística, possuem três variações:

  • Molas de flexão;
  • Molas de torção;
  • Molas helicoidais.

Cada tipo de mola funciona de uma forma diferente e possui características distintas, e essas definem que tipo de mola será utilizado em determinada categoria de veículos.

Molas de flexão

Feixe de molas de flexão
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As molas de flexão são componentes mecânicos bastante conhecidos na industria automobilística. Antes do automóvel, elas já eram utilizadas nas carruagens para atenuar os impactos sofridos pelas rodas. Entretanto, as molas de flexão são as mais complexas de se projetar em relação as molas de torção e molas helicoidais.

As molas de flexão possuem diversas variáveis a serem levadas em consideração no seu projeto. A largura, espessura, quantidade de lâminas, pontos de ancoragem das lâminas e o ângulo do elo são fatores que influenciam na constante da mola.

Feixe de molas apoiada com olhal e elo nas extremidades.
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Feitas de aço, as molas de flexão são representadas pelo feixe de molas semielípticas ou mola de lâminas e pela mola parabólica. São fixadas ao chassi pelas suas extremidades, através de bucha de borracha e elo. Ambos se conectam a mola através dos olhais dispostos nas extremidades desta. Entretanto, apenas a bucha é um ponto fixo, o elo promove uma articulação da mola, que de acordo com a altura em relação ao solo do veículo, altera as características da mola.

Esquema de suspensão feixe de molas em posição longitudinal.
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Exemplo de suspensão com feixe de molas em posição longitudinal.
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As molas de flexão, que podem ser dispostas em posição longitudinal ou transversal em relação ao veículo. Em posição longitudinal, o eixo é fixado no centro da mola, enquanto que na posição transversal, nas extremidades e no centro da mola são fixadas nas rodas e no chassi, respectivamente.

Esquema de suspensão com feixe de molas em posição transversal.
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Aplicação do feixe de molas em posição transversal no Corvette ZR-1.
Crédito foto: http://www.toc.edu.my

É possível a utilização de várias lâminas para aumentar a rigidez da suspensão, mas as molas parabólicas são compostas por apenas uma lâmina. Estas, por sua vez, são mais modernas, seu desenho foi concebido de forma a variar a constante da mola durante seu uso.

Mola parabólica.
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Neste caso, a mola parabólica possui pontos variáveis. Quando vista de cima, suas extremidades são mais largas, e em vista lateral, a parte central da mola tem maior espessura. Essas modificações da a mola parabólica uma constante progressiva, que aumenta a rigidez da mola conforme a carga imposta. Embora seu formato seja elíptico, em muitas aplicações os feixes de molas permanecem em perfil quase plano durante seu uso.

O feixe de molas semielípticas apresentam mais de uma lâmina, é utilizado em aplicações nas quais o veículo é voltado para serviços e cargas. Nestas, lâminas são dispostas umas sobre as outras. A primeira lâmina, a maior, é colocada no topo, sobre as demais e fixada a estas através de abraçadeiras metálicas. A função destas é manter as molas em contato e na posição correta durante todo o funcionamento da suspensão.

Esquema básico do funcionamento de uma lâmina de mola de flexãp. Perceba que quando em compressão, a lâmina fica levemente elíptica para cima, esbarrando no batedor. Quando o movimento é de extensão, são os grampos que sustentam as lâminas na posição transferindo a carga para o outro lado da mola. A mola se flexiona para baixo alterando seu comprimento. Este é permitido pelo elo, que por ser articulado, permite a alteração do comprimento da mola.
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A utilização de um feixe de molas semielípticas permite uma maior rigidez e capacidade de carga da suspensão em relação a mesma, equipada com mola única. Por estarem em contato, as lâminas se atritam provocando um efeito amortecedor auxiliar, chamado histerese, um fenômeno proveniente do atrito entre as lâminas do feixe de molas.

A figura mostra a posição do elo e três possíveis variações.
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Outro fator de relevante importância para as molas semi-elípticas, é o ângulo e a posição do elo. O elo pode apresentar-se em posições diferentes em relação a linha imaginária que passa pelos olhais da mola. Acima ou abaixo dessa linha e com seu ângulo de frente ou de costas para a bucha da mola.

Quando o ponto de fixação do elo encontra-se dentro do comprimento da mola (Case 1), o ângulo do elo permanece de frente a para bucha. Assim a mola terá a característica de aumentar a constante de mola a medida que for flexionada. Ou seja, fica mais rígida quando mais carga for imposta a ela.

Crédito foto: Milliken & Milliken Race Car Vehicle Dynamics

Quando o ponto de fixação do elo é afastado do comprimento da mola (Case 2), esta passa a ter a característica de reduzir sua constante de mola a medida que se flexiona. A mola, em posição de repouso possui uma determinada constante de mola, que reduz quando esta começa a se flexionar. Quando uma força F provoca a flexão da mola, a ponto de deixar seu perfil concavo para cima admitir uma posição quase retilínea, logo em cima da linha imaginária dos olhais, a mola reduz sua constante de mola. A partir deste ponto, se a força F aumenta, fazendo a mola se flexionar ainda mais, a constante de mola passa a aumentar com a flexão, gerando o efeito contrário.

Nos casos a cima, considerou-se que a mola foi instalada com o perfil elíptico voltado para cima. Em aplicações nas quais este é voltado para baixo, as considerações passam a ser contrárias. As características descritas possibilitam que as molas de flexão reajam a variação de altura do veículo, alterando sua constante de mola quando a carga sobre o eixo for elevada.

Em comparação com os demais tipos de molas, as molas de flexão são as menos eficientes, e embora sirvam como elemento de ligação e, em algumas aplicações, possuem a função de alinhar as rodas, não representam uma economia de peso. A histerese, um fenômeno que em alguns casos é vantajoso, produz ruídos que devem ser levados em consideração no isolamento acústico do veículo. Em aplicações da linha pesada, o atrito entre lâminas requer manutenção.

Mola de torção

Molas de torção, ligadas ao braço de suspensão e engastadas na estrutura do veículo.
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A mola de torção utilizada em automóveis é, também, chamada de barra de torção. Fabricada em aço (aço mola), uma haste de formato circular é engastada na estrutura do veículo em uma de suas extremidades, e no braço de suspensão na outra.

A barra de torção pode admitir diversos formatos, seu corte transversal pode ser circular, retangular, quadrangular e, também, um feixe de barras chatas. A escolha destas leva em consideração o alojamento dos componentes da suspensão (inclusive da barra de torção) e o nível de exigência (carga) que o veículo será submetido.

A torção ocorre quando uma seção da barra se torce em relação a outra. O que provoca a torção da barra, são as cargas provenientes das forças que agem nas rodas. Através dos braços de suspensão, essas cargas torcem a barra e, então ocorre o efeito de amortecimento das vibrações.

Veja nesta aplicação, como as barras ocupam um grande espaço longitudinal no assoalho do veículo.
Lower/Uper Control Arm – Braços de Suspensão Inferior/Superior;
Torsion Bars – Barras de Torção;
Anti-Sway Bar – Barra Anti-Rolagem;
Strut – Tensor.
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A suspensão equipada com barras de torção, por característica da própria barra, desempenha um razoável efeito de amortecimento. Quando a barra se torce, devido a carga submetida pelo braço de suspensão, um torque é gerado na barra torcendo-a. A resistência da barra ao torque produzido neste, realiza o efeito-mola e força a barra retornar a sua posição de repouso. Enquanto a carga submetida a suspensão não superar a zona elástica do material da barra, esta funcionará corretamente.

Embora sejam molas livres de manutenção e com longa vida útil, as molas de torção possuem como ponto negativo, seu peso. Estas, são tão pesadas quanto um feixe de molas (de flexão), e mais pesadas que as molas helicoidais. Além disso, as barras são longas e necessitam de um grande espaço para serem alojadas.

Mola helicoidal

Crédito foto: https://www.mx5france.com

A mola helicoidal tornou-se padrão nos veículos atuais. Compacta e leve, se adaptou aos tipos mais variados de suspensão. Se classificássemos as molas ao pé da letra, as helicoidais se enquadrariam na categoria Molas de Torção. Basicamente, são molas de torção em formato de espiral.

O ponto de fixação da mola é, geralmente, composto de um pequeno coxim ou bucha. A finalidade destes é impedir o contato direto da mola com o chassi (ou carroceria), o que geraria desgastes na região de assentamento da mola e, consequentemente, ruídos e rangidos a cada movimento da suspensão.

A disposição das molas helicoidais, na suspensão, é geralmente em pé ou com um certo grau de inclinação. Existem aplicações peculiares, nas quais as molas e amortecedores são dispostos dentro do chassi do veículo, acionados por hastes ligadas as rodas (leia mais).

Em suspensões do tipo McPherson (foto acima, imagem da esquerda), as molas helicoidais se apresentam em conjunto com os amortecedores. Um arranjo no qual o amortecedor passa por dentro da mola, formando o conjunto chamado strut.

Dois cursos são cumpridos pelas molas durante seu funcionamento, o curso de compressão e o curso de extensão. Nas molas helicoidais não é diferente, sendo o curso um dos motivos de tanta preocupação com constante da mola. Sabendo que a deformação da mola aumenta conforme a carga imposta sobre esta, a mola deve variar sua característica elástica de acordo com esse aumento de carga, ou do contrário a carroceria reduzirá em excesso sua altura em relação ao solo. Portanto, o projeto de uma mola helicoidal para suspensões automobilísticas se depara com as seguintes variáveis da constante de mola:

Crédito foto: https://sc01.alicdn.com

  • Comprimento livre – L0;
  • Diâmetro do fio de mola – d;
  • Diâmetro da mola – D;
  • Número de espirais ativos.

Active coils – Espirais ativos; Pitch – Passo; Dead turn – Espirais inativos; Free Height – Comprimento livre. Crédito foto: http://lh6.ggpht.com

Com essas variáveis, algumas formas de conceder progressividade ao funcionamento da mola podem ser adotadas. A adoção de batedores de mola é um padrão nos projetos de suspensão. Os batedores são peças de poliuretano fixadas na estrutura da suspensão de forma a limitar a oscilação da mola, ou seja, limitando o curso da mola.

A medida que a mola se deforma devido a carga, esta reduz seu comprimento até o ponto no qual o batedor começa a ser comprimido. Nesse momento a carga que comprime a mola sofre a resistência do batedor para continuar deformando a mola. Os mesmo ocorre em batedores utilizados para limitar o movimento de extensão da mola. Contudo, os batedores são componentes a parte, não exercem influência nas características fundamentais da mola, citadas acima.

Batedores de mola. Suspensão traseira de um SUV.
Crédito foto: http://www.roadie.org

Portanto, outra forma é projetar um mola com dimensões variáveis, na qual a constante de mola seja diferente quando esta encontra-se sob carga normal (veículo sem lastro) e quando esta encontra-se sob carga total.

Mola com constante progressiva. O diâmetro do arame é variável, determinando o variação da constante.
Crédito foto: http://www.autoentusiastas.com.br

O diâmetro do arame, é utilizado para se fabricar uma mola helicoidal de constante progressiva. Esse tipo de mola possui a variação do diâmetro crescente da extremidade até a espira central da mola. A partir desta até a outra extremidade, o diâmetro do arame decresce. O diâmetro do arame é sempre menor nas extremidades e maior quando próximo ao centro. Dessa forma, conforme a mola é comprimida, o esforço para comprimi-la aumenta a cada espira superada.

Um detalhe importante para a constante da mola, é o número de espiras ativas. Este número é a quantidade de espiras que não estão em contato com os componentes da suspensão, ou seja, as espiras que estão entre as espiras das extremidades da mola. Partindo deste detalhe, algumas molas podem ser classificadas como:

  • Molas de extremidades fechadas;
  • Molas de extremidades fechadas retificadas;
  • Molas de extremidade plana;
  • Molas de extremidades planas retificadas.

Closed ends – Extremidades fechadas; Closed and ground ends – Extremidades fechadas e retificadas; Plain ends – Extremidades planas; Plain ends ground – Extremidades retificadas planas; Crédito foto: Milliken & Milliken Race Car Vehicle Dynamics.

As variações acima são referentes a espiras não ativas, estas é que fixam as molas na suspensão e na carroceria do veículo. Então cada variação destas determina a quantidade de espiras ativas mola. Em molas de extremidades fechadas e de extremidades fechadas e aterradas, há duas espiras inativas em cada extremidade da mola helicoidal. A diferença fica por conta do acabamento, no qual as molas de extremidades fechadas a última espira acaba no ponto central da mola, sem encostar na espira anterior. Já em molas de extremidades fechadas e aterradas, a última espira faz uma volta completa, de forma que se encontre com a espira anterior. Nas espiras planas e planas aterradas, dependendo da forma que estas são fixadas na suspensão e na carroceria, pode-se considerar que não há espiras inativas ou, apenas meia espira inativa em cada extremidade. Nestas molas a diferença reside no acabamento das espiras das extremidades, podem ser aplainadas para assentamento (molas planas aterradas) ou livres (molas planas). Esses detalhes influenciam na constante da mola devido ao número de elos ativos. Ao se utilizar uma mola de extremidades fechadas, não se deve levar em consideração as espiras das pontas, enquanto que em molas planas, é possível utilizar no cálculo da constante de mola, todas as espiras como sendo ativas.

Funcionamento

Molas de flexão

O feixe de molas e a mola parabólica funcionam da mesma forma, ambas possuem três pontos de ancoragem. As diferenças são, a posição que essas molas são instaladas, e a quantidade de lâminas utilizadas.

Esquema de forças em molas de flexão. Acima, a mola parabólica. Abaixo, o feixe de molas.
Crédito foto: Milliken & Milliken Race Car Vehicle Dynamics

No momento em que cargas são impostas no eixo, estas empurram a mola, que para compensar, se flexiona. Caso esteja sendo utilizado um feixe de molas, dependendo da intensidade da carga imposta sobre o eixo, nem todas as lâminas do feixe poderão se flexionar. Quando a carga é suficiente para flexionar mais de uma ou todas as lâminas, estas irão atritar-se umas com as outras. Esse fenômeno, cria um efeito amortecedor extra, mas por outro lado, gera ruídos.

Na ocasião de molas parabólicas serem utilizadas, estas são compostas apenas por uma lâmina semi-elíptica. Esta lâmina possui sessões com diferentes espessura e largura. Quando uma é aplicada a mola, esta se flexiona conforme a intensidade da carga. Sendo esta alta o suficiente, a flexão da mola atingirá os pontos onde esta varia sua constante de mola, tornando-se mais rígida. Dessa forma, uma maior resistência a carga aplicada é gerada, necessitando que uma carga maior seja imposta flexionar ainda mais a mola.

Mola de torção

As barras de torção são encaixadas no chassi ou na carroceria, estrias na extremidade da barra impedem esta de girar dentro do apoio. Na outra extremidade o braço de suspensão aplica a força proveniente dos impactos sofridos pela roda.

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Quando a roda sofre um impacto, esta sobe fazendo o braço de suspensão acompanhar o movimento. Como o braço de suspensão está ligado a barra de torção, aquele exerce nesta, uma força. Devido ao fato da barra estar fixa em apenas uma extremidade, ocorre uma torção. O mesmo ocorre no sentido inverso, a roda desce e o braço também. A torção, portanto, ocorre de modo inverso no movimento descendente da roda.

Mola helicoidal

Durante o deslocamento do veículo, quando a roda recebe um impacto proveniente do solo, esta se desloca verticalmente, elevando o braço de suspensão. Assim a mola é comprimida por uma força, neste caso, a força do impacto na roda.

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A mola helicoidal é comprimida, a força aplicada à mola gera esforços por todas as suas espiras. Analisando estas internamente, é possível notar que dois esforços agem nos arames da mola. Uma força cortante e um torque agem em cada arame das espira, a força cortante evita o movimento linear, enquanto que o torque (no sentido anti-horário) impede a rotação da espira em torno do eixo da mola.

O torque torce o arame da mola quando uma carga é aplicada a mola. Ocorre uma deformação angular de cada arame da espira. A resultante dessas deformações e da força cortante de cada espira, movimenta-as linearmente. A mola helicoidal, portanto, se deforma linearmente quando uma carga é aplicada.

Manutenção

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As molas, em geral não são componentes de manutenção, não requerem substituição preventiva ou algo do tipo. São duráveis, projetadas para resistir a pesadas cargas e por longo período de tempo. Entretanto, como todo e qualquer componente do automóvel, elas se desgastam.

Os sinais de desgaste são trincas, deformações e oxidação, que em casos extremos podem levar a ruptura da mola. Entretanto, um sintoma discreto de perda de carga da mola, é a redução da altura em relação ao solo. Com o desgaste da mola, esta perde a sua força elástica e sede um pouco mais quando a carroceria é assentada. Dessa forma, o veículo fica um pouco mais baixo, e as molas, com funcionamento prejudicado. Portanto, mesmo que as molas dispensem a manutenção, é admitido como boa prática de manutenção a verificação periódica das molas.

As molas helicoidais possuem, nos pontos de fixação, buchas ou calços que servem para atenuar os ruídos do contato metal-metal. Entretanto, essas buchas se desgastam permitindo que os rangidos apareçam e as extremidades da mola se danifiquem.

O feixe de molas possui grampos para fixação das lâminas, estes são revestidos de borracha para atenuar os ruídos do atrito entre as lâminas e os grampos. Contudo, com o uso, os grampos se desgastam e perdem torque de aperto, soltando algumas lâminas da mola. A ação do feixe de mola inteiro fica comprometida, sendo necessário a recolocação do grampo ou sua troca.
Por trabalharem com as lâminas em atrito umas com as outras, em algumas aplicações se faz necessário a lubrificação periódica da lâminas com graxa adequada. A periodicidade dessa lubrificação vai depender do uso do veículo, deve ser avaliado o estado do feixe para determinar sua lubrificação ou não


Acadêmico de Engenharia Mecânica pela Universidade Federal do Ceará (UFC), Técnico em mecânica automotiva pelo Senai-CE e IFCE, certificado Six Sigma Green Belt. Profissional dedicado a área automobilística, com 8 anos de experiência no mercado automotivo, do setor de peças a qualidade em montadoras. Atualmente participa do projeto de extensão Siara Baja da Universidade Federal do Ceará.

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