Funcionamento e detalhes da supensão tipo Braços Sobrepostos


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Aqui no Brasil a conhecemos pelos nomes Duplo A ou Braços Sobrepostos, nos EUA é conhecida por Double Wishbone ou SLA (Short-long Arm). Este conceito de suspensão surgiu nos anos seguintes a Segunda Guerra Mundial, era assim chamada pois sua configuração são dois braços posicionados um acima do outro e ambos ligados a manga de eixo. Os braços são frequentemente chamados, no Brasil, de “sapatas”, enquanto são denominadas “A-arms” nos EUA ou “wishbones” na Inglaterra, este último devido a sua semelhança com um dos osso da galinha.

Existem duas variações na sua configuração, uma delas possui braços com comprimentos desiguais, sendo o superior menor que o inferior, e configuração na qual os braços possuem comprimentos iguais, o tipo de aplicação do veículo vai determinar sua utilização.

Este tipo de suspensão ganhou espaço em algumas categorias de veículos devido seu desempenho, que proporciona um posicionamento favorável da roda em relação ao solo. De certa forma, as características dessa suspensão favorecem seus parâmetros de elastocinemática, e que colaboram para uma relação conforto x desempenho bastante vantajosa.

Aplicação

Chassi spaceframe do Caterham Seven. Repare na suspensão dianteira, os braços não são paralelos, além de não possuírem o mesmo comprimento. Por que ?
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Devido as suas característica, esse tipo de suspensão é utilizado veículos de alto desempenho e luxo, categorias como gran turismo, sedãs de luxo, esportivos e superesportivos são as que mais requisitam a suspensão braço sobrepostos. Os motivos por detrás dessa aplicação não resulta apenas do desempenho da suspensão, também é motivado pelo configuração adotada por esse tipo de veículo.

Em geral, carros das categorias citadas possuem powertrain com motor dianteiro e tração traseira, motor central ou traseiro e tração traseira ou nas quatro rodas e motor dianteiro e tração nas quatro rodas. Essas configurações de powertrain, na maioria dos casos, utilizam de motores em posição longitudinal. A suspensão braços sobrepostos não consegue compartilhar o espaço embaixo do carro de forma a ser favorável ao posicionamento do motor. Dessa forma, acaba sendo favorável a motores posicionados na longitudinal. Além disso, permite que o capô do veículo possa ter sua altura reduzida, o que reflete em uma menor área frontal e melhor característica aerodinâmica do veículo.

O Toyota Supra é um exemplo de carro que utiliza suspensão braços sobrepostos nas quatro rodas.
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Mesmo assim, esse conceito de suspensão permite sua utilização com motores posicionados na transversal, mas para isso o braço superior é posicionado mais elevadamente e a manga de eixo deve permitir a passagem das semi-árvores. Perde-se, contudo, a vantagem de baixa altura do capô e parte de seu desempenho são prejudicadas.

Suspensão dianteira e traseira do Toyota Supra desmontadas. Repare na posição dos braços e onde eles se conectam, nas mangas de eixo e no subchassi.
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Para aplicações dentro do motorsports, esse tipo de suspensão é largamente utilizado em carros monopostos e de categoria protoype, pois a facilidade dos braços transversais em compartilhar espaço com demais componentes do carro e seu manuseio, poupam bastante tempo no trabalho das equipes em dias de grande prêmio. Algumas aplicações no eixo traseiro de carros de corrida, utilizam a caixa de marcha como elemento estrutural de fixação dos braços, reduzindo ainda mais as dimensões do veículo.

Nas aplicações civis, esse tipo de suspensão é quase padrão em veículos de alto luxo, porém, em aplicações de veículos mais acessíveis, mas voltados para o desempenho, a suspensão braços sobrepostos tem substituído com êxito o braço semi-arrastado.

Características

Suspensão braços sobrepostos traseira do Audi R8. Os braços superiores são menores que os braços inferiores.
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Existem dois tipos de suspensão braços sobrepostos utilizadas em veículos civis, estas são conhecidas como High (alta) e Low (baixa). A designação refere-se a posição e tamanho do braço superior da suspensão, mas além deste, existe duas outras variações chamadas de Pullrod e Pushrod, estas já foram detalhadas em um artigo específico.

Braço de suspensão de um carro de Fórmula 1. Vale ressaltar, que este é feito em fibra de carbono.
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Uma suspensão do tipo braços sobrepostos é caracterizada pelo uso de dois braços transversais e sobrepostos, daí seu nome e que intitula este artigo. Os braços possuem formato triangular, também muito parecido com o um A, por esse motivo é também, chamado de Duplo A. Embora o conceito denote ter dois braços de suspensão, em termos de sua cinemática, a suspensão braços sobrepostos nada mais é do que um mecanismo de quatro barras.

Suspensão tipo high. Perceba que a manga de eixo é grande, e que o ponto de conexão com o braço superior está acima da roda.
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A suspensão tipo high é assim chamada devido ao posicionamento mais elevado do braço superior e do seu menor comprimento em relação ao braço inferior, consequentemente a manga de eixo também é maior em relação ao tipo low. Esse tipo é utilizado em veículos de tração dianteira ou nas quatro rodas devido a sua adaptabilidade com motores posicionados na transversal.

Suspensão tipo low, nesta o manga de eixo é compacta, em relação ao tipo high. Perceba, que a conexão do braço superior com a manga ocorre dentro do diâmetro da roda.
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A suspensão tipo low é o oposto da anterior, o posicionamento do braço superior é mais baixo e seu comprimento, geralmente, é igual ao do braço inferior. Dessa forma, uma menor manga de eixo é necessária, e o conjunto é até mais compacto nesse quesito. Contudo o tamanho dos braços é maior e invade um pouco o cofre do motor, motivo pelo qual esse sistema é mais adequado a carros com motor posicionado na transversal, com chassi de longarinas ou spaceframe.

Embora semelhantes, estes dois sistemas carregam características distintas, uma delas é a distância entre os braços. Algumas literaturas falam na distância entre os pivôs ou comprimento do eixo do pino mestre, que basicamente é o mesmo parâmetro.

É nesse ponto que ambos os sistemas diferem, o sistema de braços sobrepostos high possui uma distância entre os braços (ou entre os pivôs) maior em relação ao sistema low. Essa distância é fator determinante para as forças resultantes nos braços de suspensão, quanto maior a distância entre os braços, menor será o estresse nestes e em suas articulações. Isso favorece diretamente o projeto dos braços, que não precisam de materiais robustos e densos. Somando isso a boa elastocinemática da suspensão, então é possível conceber um veículo com bom compromisso entre desempenho e conforto. Além disso, a manga de eixo maior, não deixa o sistema tão vulnerável a pequenos erros de geometria. Por outro lado, este sistema não é tão favorável a modificações no tamanho das rodas, sem que seja necessário a alteração da bitola do eixo, além disso sua própria configuração com braço mais elevado impede a redução significativa da altura do capô.

O sistema com braços sobrepostos low possui braços com distância mais curta em relação ao sistema high, não aproveitando das mesmas vantagens do sistema comentado acima. Entretanto, sua menor altura dos braços permite que a dianteira do veículo tenha um desenho mais compacto, favorecendo a aerodinâmica e seu alojamento na estrutura do veículo, seja ela um chassi de longarina ou um spaceframe. Por outro lado, os braços ocupam bastante espaço no cofre do motor, motivo pelo qual esta variação é utilizada em veículos com powertrain longitudinal. Como a altura entre os braços é reduzida, a direção perde um pouco de precisão e o conforto não é tão bom em relação ao sistema high.

Outra característica importante na suspensão braços sobrepostos, é a capacidade desta desenvolver considerável nível de camber recovery. A posição transversal dos braços provoca nas rodas a tendência destas a admitirem um ângulo de camber ideal quando a suspensão está sendo flexionada.

Essa reação é intensificada pela relação de comprimento entre os braços superior e inferior, quando o braço superior é menor que o inferior. A tendência das rodas admitirem determinado nível de camber recovery é aumentada nessa situação, e então um melhor posicionamento da roda em relação ao solo é obtido, em comparação a outros tipos de suspensão como, McPherson e Braço Arrastado.

A distância entre os braços (C), é um parâmetro determinante para o projeto.
Crédito foto: Automotive engineering powertrain, chassis system and vehicle body.

A distância entre os braços e a relação entre o comprimento dos braços não são parâmetros necessariamente dependentes, é possível ter uma suspensão low com braços superiores menores que os inferiores. Contudo, em suspensões do tipo high, os braços superiores são menores devidos ao compartilhamento de espaço.

Em geral, suspensões do tipo braços sobrepostos são conhecidas por sua simplicidade de projeto, mas que resulta em um bom desempenho do veículo, devido a sua elevada capacidade elasto cinemática. Contudo, é uma suspensão mais cara devido a quantidade de componentes articulados, a necessidade de alinhamento periódico e a invasão do cofre do motor é inevitável, motivo pelo qual o projetista deve decidir entre os tipos low e high.

Componentes
  • Braços de suspensão;
  • Manga de eixo;
  • Pivôs;
  • Buchas;
  • Barra anti-torção;
  • Molas e amortecedores.

Braços de suspensão

Análise estrutural do braços de suspensão.
Crédito foto: http://www.advantech.vn

Os braços de suspensão são dispostos na posição transversal e sobrepostos, seu formato é padrão, triangular, conectando-se ao chassi ou subchassi por meio de duas buchas e na manga de eixo por meio de um pivô.

São fabricados em aço, por estampagem ou utilizando tubos de aço soldados e reforçados. Os braços são expostos a forças de compressão e tração, que surgem devido as forças verticais oriundas da roda. Sobre um dos braços de suspensão são montados os amortecedores, e por conta disto o respectivo braço deve ter o esforço de sustentar o amortecedor contabilizado durante o seu desenvolvimento.

Os braços de suspensão podem ter comprimentos diferentes, geralmente, o superior é menor do que o inferior. Essa particularidade é utilizada como uma solução para veículos com tração nas rodas dianteiras e motor transversal. O objetivo é promover um bom nível de camber recovery nas rodas e manter o conforto ao rodar do veículo. Por outro lado, com braços de mesmo tamanho e paralelos, quase não há alteração de camber quando a suspensão é flexionada, ponto positivo para a elastocinemática do conjunto.

Diferença entre os braços paralelos e braços de comprimento desigual.
Crédito foto: http://www.rapid-racer.com

Entretanto, existe uma outra particularidade em relação aos braços que influencia bastante no comportamento das rodas durantes curvas e variações de carga. É o paralelismo dos braços, nem todos os projetos de suspensão braços sobrepostos englobam braços iguais em comprimento, tão pouco paralelos.

Neste caso, quando o braço superior está inclinado em relação ao braço inferior, dependendo do sentido da inclinação, diferentes variações no camber são possíveis. Tomando como referência o lado do braço que está conectado ao pivô. Na variação com braço superior inclinado para baixo, quando a suspensão encontra-se em compressão, ocorre a tendência do camber ser ainda mais positivo, enquanto que em extensão, tendência é que a roda admita uma cambagem mais negativa.

Quando o braço superior está inclinado para cima, no momento em que a suspensão está em compressão, esse posicionamento do braço força a roda a admitir um camber negativo, enquanto que em expansão o braço força a roda a admitir um camber positivo. Isso faz com que a roda desenvolva um posição que acompanha melhor o solo, mesmo em curvas, pois vai de encontro a situação normal destas nestas situações, que é camber positivo em rodas sobre compressão e negativo em rodas sobre extensão.

Manga de eixo

A manga de eixo é o componente que permite o movimento direcional das rodas dianteiras, além disso ela também serve de suporte para cubo de roda, semi-árvores e os componentes dos sistemas de freio e direção. É na manga de eixo que os pivôs encontram-se fixados, para encaixe nos braços de suspensão.

É fabricada em aço ou ferro fundido, podendo no primeiro caso, ser fabricada através de estampagem. Deve ser bastante robusta, pois sustenta as reações dos braços de suspensão.

Pivôs

São os componentes que permite a conexão dos braços de suspensão na manga de eixo, porém, de forma a ter o mínimo de resistência ao movimento dos braços. Compensando qualquer movimento deste em torno dos eixos x, y e z. Este componente já foi detalhado no artigo geral de suspensão.

Buchas

As buchas são utilizadas para promover o movimento dos braços em relação ao chassi com o mínimo de resistência, absorvendo vibrações excessivas e mantendo a roda na sua geometria de fábrica. Este componente já foi detalhado no artigo geral sobre suspensão.

Barra anti-torção

Com a função de limitar a rolagem da carroceria através da conexão das rodas, a barra de torção está conectada através de uma pequena barra, comumente chamada de bieleta, a base dos amortecedores. Este componente já foi detalhado no artigo sobre barras estabilizadoras.

Molas e amortecedores

As molas e os amortecedores utilizados na suspensão braços sobrepostos não diferem em nada das utilizadas nos demais conceitos de suspensão. Na suspensão braços sobrepostos, as molas e os amortecedores podem estar dispostos separadamente ou em conjunto, formando o amortecedor telescópico.

Suspensão braços sobrepostos na qual as molas são barras de torção.
Crédito foto: https://image.slidesharecdn.com

No primeiro, as molas são molas de torção, que se ligam aos braços superiores ou inferiores e ao chassi, enquanto que os amortecedores se conectam aos braços inferiores.

Variação na qual molas e amortecedores são montados em cima dos braços superiores.
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Uma outra variação utiliza mola helicoidal e amortecedor formando um componente só, este se conectando no braço superior e na carroceria. Em ambas as variações, o braço superior deve ser reforçado para resistir as reações das forças do amortecedor. Além disso, estas variações não permitem um rebaixamento tão efetivo da dianteira do veículo.

Corte de uma suspensão braços sobrepostos. Nesta o conjunto amortecedor e mola é fixado no braço inferior e no chassi.
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Na segunda variação a mola e o amortecedor também forma um conjunto só, porém com este se conectando no braço inferior e no chassi do veículo. A conexão do amortecedor no chassi ou carroceria é feita por meio de bucha e rolamento, para permitir pequeno movimento de giro do amortecedor e resistir aos impactos sofridos por este. Quando o veículo apresenta motor posicionado na transversal, e suspensão dianteira por braços sobrepostos, o amortecedor telescópico é apoiado em uma forquilha. A função deste componente é prover a conexão do amortecedor com o braço inferior, mas permitindo a passagem das semi-árvores para as rodas dianteiras.

Molas e amortecedores já foram detalhados no artigo sobre molas e no artigo sobre amortecedores.

Funcionamento

Diagrama que descreve o funcionamento da suspensão braços sobrepostos durante as principais situações.
Crédito foto: http://xcsdesigns.co.uk

Veículo estático

Neste tipo de suspensão, quando o veículo está parado, o apoio das rodas nos chão provoca uma reação para cima (normal) no ponto central do pneu. Essa força gera reações nos braços transversais. As reações são determinadas pelo comprimento e posicionamento dos braços, dessa forma as variações de tipos de suspensão braços sobrepostos com relação a inclinação e comprimento dos braços superiores, apresentam diferentes reações.

Quando a configuração da suspensão apresenta braços iguais, paralelos em relação ao chão e entre si, as forças de reação nos braços são compressivas e trativas, ambas nos sentidos dos braços superior e inferior, respectivamente. Isso provoca na roda uma tendência a cambagem neutra com o veículo parado.

Em configurações nas quais os braços estão paralelos, mas com o superior menor que o inferior, essa característica resulta em forças de reações diferentes nos braços superior e inferior. A força de reação no braço inferior é trativa, na direção do braço e de intensidade maior que a força que age no braço superior. Neste, por sua vez, a força de reação é compressiva, no mesmo eixo do braço e de intensidade inferior que a força que age no braço inferior.

Veículo em curvas

Quando o veículo está contornando uma curva, a suspensão admite duas situações diferentes, o lado externo à curva está sobre compressão e o lado interno à curva está sobre extensão. Em uma condição geral, a roda que está sobre compressão altera sua posição exibindo uma cambagem positiva, enquanto que roda que está sobre extensão exibe uma cambagem negativa.

Em um veículo com suspensão tipo braços sobrepostos, a própria configuração da suspensão permite que a roda externa a curva tenha seu camber negativado, enquanto que a roda interna a curva tende a apresentar um camber positivo. Isso anula o comportamento descrito no parágrafo anterior, bem como em situações de frenagem. Assim é proporcionado uma posição adequada da roda durante situações críticas, como contornos de curvas e frenagem. A suspensão exibe uma alta porcentagem de camber recovery.

Manutenção

A suspensão braços sobrepostos é um conceito simples de suspensão independente, é o que há de melhor, em termos de simplicidade e desempenho, para carros de alto padrão. E como toda suspensão independente, sua manutenção torna-se mais onerosa. Embora não seja necessariamente complexa, a manutenção é voltada para buchas e pivôs, basicamente os pontos de articulação. Isso ocorre pois o número de membros articulados é maior.

Embora a posição dos braços seja determinante para as forças que agem na suspensão, são as buchas que permitem o bom desempenho da suspensão sem o mínimo de alteração da posição das rodas. Uma vez que as buchas se desgastam, os braços passam a apresentar folgas, e o posicionamento da roda não está mais garantido, esta passa a se arrastar pela pista gerando desgaste prematuro e, indiretamente, gerando um maior consumo de combustível.


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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