O braço oscilante geralmente está localizado entre a roda e a carroceria, e é um componente de segurança relacionado ao condutor que transmite força, atenua a transmissão de vibrações e controla a direção.
O braço oscilante geralmente está localizado entre a roda e a carroceria, sendo um componente de segurança relacionado ao condutor que transmite força, reduz a transmissão de vibrações e controla a direção. Este artigo apresenta o projeto estrutural mais comum do braço oscilante disponível no mercado, comparando e analisando a influência de diferentes estruturas no processo de fabricação, na qualidade e no preço.
A suspensão do chassi de um carro é dividida, de forma geral, em suspensão dianteira e suspensão traseira. Ambas as suspensões, dianteira e traseira, possuem braços oscilantes que conectam as rodas à carroceria. Os braços oscilantes geralmente estão localizados entre as rodas e a carroceria.
A função do braço oscilante guia é conectar a roda à estrutura, transmitir força, reduzir a transmissão de vibrações e controlar a direção. É um componente de segurança que envolve o condutor. Existem peças estruturais de transmissão de força no sistema de suspensão, que permitem que as rodas se movam em relação à carroceria de acordo com uma determinada trajetória. Essas peças estruturais transmitem a carga, e todo o sistema de suspensão é responsável pelo desempenho de condução do veículo.
Funções comuns e projeto estrutural do braço oscilante de um automóvel
1. Para atender aos requisitos de transferência de carga, projeto e tecnologia da estrutura do braço oscilante.
A maioria dos carros modernos utiliza sistemas de suspensão independente. De acordo com as diferentes formas estruturais, os sistemas de suspensão independente podem ser divididos em tipo triângulo, tipo braço oscilante, tipo multilink, tipo biela e tipo McPherson. O braço oscilante e o braço de arrasto formam uma estrutura de duas forças em um único braço do tipo multilink, com dois pontos de conexão. Duas hastes de duas forças são montadas na junta universal em um determinado ângulo, e as linhas de conexão dos pontos de ligação formam uma estrutura triangular. O braço inferior da suspensão dianteira MacPherson é um típico braço oscilante de três pontos com três pontos de conexão. A linha que conecta os três pontos de conexão forma uma estrutura triangular estável que pode suportar cargas em múltiplas direções.
A estrutura do braço oscilante de duas forças é simples, e o projeto estrutural é frequentemente determinado de acordo com a especialização e a conveniência de processamento de cada empresa. Por exemplo, na estrutura de chapa metálica estampada (ver Figura 1), a estrutura é composta por uma única placa de aço sem solda, e a cavidade estrutural geralmente tem o formato de "I"; na estrutura de chapa metálica soldada (ver Figura 2), a estrutura é composta por uma placa de aço soldada, e a cavidade estrutural geralmente tem o formato de "V"; ou placas de reforço localizadas são usadas para soldar e reforçar pontos críticos; na estrutura processada por forjamento de aço, a cavidade estrutural é sólida e o formato é geralmente ajustado de acordo com os requisitos de layout do chassi; na estrutura processada por forjamento de alumínio (ver Figura 3), a cavidade estrutural é sólida e os requisitos de formato são semelhantes aos do forjamento de aço; na estrutura de tubo de aço, a estrutura é simples e a cavidade estrutural é circular.
A estrutura do braço oscilante de três pontos é complexa e o projeto estrutural é frequentemente determinado de acordo com os requisitos do fabricante original (OEM). Na análise de simulação de movimento, o braço oscilante não pode interferir com outras peças, e a maioria delas possui requisitos de distância mínima. Por exemplo, a estrutura de chapa metálica estampada é frequentemente usada simultaneamente com a estrutura de chapa metálica soldada; o furo para o chicote do sensor ou o suporte de conexão da barra estabilizadora, etc., alteram a estrutura do projeto do braço oscilante; a cavidade estrutural ainda tem o formato de uma "boca", sendo preferível uma estrutura fechada em vez de uma estrutura aberta. Na estrutura forjada e usinada, a cavidade estrutural geralmente tem o formato de "I", que possui as características tradicionais de resistência à torção e flexão; na estrutura fundida e usinada, o formato e a cavidade estrutural geralmente são equipados com nervuras de reforço e furos para redução de peso, de acordo com as características da fundição; na estrutura combinada de chapa metálica soldada com forjado, devido aos requisitos de espaço do chassi do veículo, a junta esférica é integrada ao forjado, e o forjado é conectado à chapa metálica; A estrutura de usinagem de alumínio fundido-forjado proporciona melhor aproveitamento do material e maior produtividade do que a forjagem, além de apresentar resistência superior à das peças fundidas, o que representa a aplicação de uma nova tecnologia.
2. Reduzir a transmissão de vibração para a carroceria e o projeto estrutural do elemento elástico no ponto de conexão do braço oscilante.
Como a superfície da estrada em que o carro circula não pode ser absolutamente plana, a força de reação vertical da superfície da estrada atuando sobre as rodas é frequentemente impactante, especialmente ao dirigir em alta velocidade em uma superfície ruim. Essa força de impacto também causa desconforto ao motorista. Para solucionar esse problema, elementos elásticos são instalados no sistema de suspensão, convertendo a conexão rígida em uma conexão elástica. Após o impacto do elemento elástico, ele gera vibração, e a vibração contínua causa desconforto ao motorista. Portanto, o sistema de suspensão precisa de elementos de amortecimento para reduzir rapidamente a amplitude da vibração.
Os pontos de conexão no projeto estrutural do braço oscilante são conexões por elementos elásticos e juntas esféricas. Os elementos elásticos proporcionam amortecimento de vibrações e um pequeno número de graus de liberdade rotacionais e oscilatórios. Buchas de borracha são frequentemente usadas como componentes elásticos em automóveis, e buchas hidráulicas e juntas cruzadas também são utilizadas.
Figura 2: Braço oscilante para soldagem de chapas metálicas
A estrutura da bucha de borracha consiste principalmente em um tubo de aço com revestimento externo de borracha, ou em uma estrutura tipo sanduíche composta por tubo de aço, borracha e tubo de aço. O tubo de aço interno deve atender a requisitos de resistência à pressão e diâmetro, sendo comum a presença de serrilhas antiderrapantes em ambas as extremidades. A camada de borracha tem sua composição e estrutura ajustadas de acordo com as diferentes exigências de rigidez.
O anel de aço mais externo geralmente possui um requisito de ângulo de entrada, o que é favorável à montagem por pressão.
A bucha hidráulica possui uma estrutura complexa e é um produto com processo de fabricação complexo e alto valor agregado na categoria de buchas. Há uma cavidade na borracha, onde o óleo é inserido. O projeto da estrutura da cavidade é realizado de acordo com os requisitos de desempenho da bucha. Se houver vazamento de óleo, a bucha será danificada. As buchas hidráulicas podem proporcionar uma curva de rigidez melhor, afetando a dirigibilidade geral do veículo.
A dobradiça transversal possui uma estrutura complexa e é composta por borracha e esferas. Ela oferece maior durabilidade do que buchas, além de melhor ângulo de giro e de abertura, curva de rigidez específica e atende aos requisitos de desempenho de todo o veículo. Dobradiças transversais danificadas geram ruído na cabine quando o veículo está em movimento.
3. Com o movimento da roda, o projeto estrutural do elemento oscilante no ponto de conexão do braço oscilante.
A superfície irregular da estrada faz com que as rodas saltem para cima e para baixo em relação à carroceria (chassi) e, ao mesmo tempo, as rodas se movem, como em curvas, em linha reta, etc., exigindo que a trajetória das rodas atenda a certos requisitos. O braço oscilante e a junta universal são geralmente conectados por uma articulação esférica.
A articulação esférica do braço oscilante permite um ângulo de oscilação superior a ±18° e uma rotação de 360°. Atende plenamente aos requisitos de concentricidade das rodas e de direção. Além disso, a articulação esférica possui garantia de 2 anos ou 60.000 km e de 3 anos ou 80.000 km para todo o veículo.
De acordo com os diferentes métodos de conexão entre o braço oscilante e a junta esférica, podemos dividi-los em: conexão por parafuso ou rebite (a junta esférica possui uma flange); conexão por interferência com encaixe por pressão (a junta esférica não possui flange); e conexão integrada (o braço oscilante e a junta esférica são uma única peça). Para estruturas de chapa metálica simples e estruturas soldadas de múltiplas chapas metálicas, os dois primeiros tipos de conexão são mais comuns; já o segundo tipo de conexão, como forjamento de aço, forjamento de alumínio e ferro fundido, é mais utilizado.
A dobradiça esférica precisa atender aos requisitos de resistência ao desgaste sob condições de carga, devido ao seu ângulo de trabalho maior em comparação com buchas, o que exige uma vida útil mais longa. Portanto, a dobradiça esférica deve ser projetada como uma estrutura combinada, incluindo uma boa lubrificação do mecanismo de oscilação e um sistema de lubrificação à prova de poeira e água.
Figura 3: Braço oscilante forjado em alumínio
O impacto do design do braço oscilante na qualidade e no preço.
1. Fator de qualidade: quanto mais leve, melhor.
A frequência natural do corpo (também conhecida como frequência de vibração livre do sistema vibratório), determinada pela rigidez da suspensão e pela massa suportada pela mola (massa suspensa), é um dos indicadores de desempenho importantes do sistema de suspensão que afeta o conforto de condução do veículo. A frequência de vibração vertical utilizada pelo corpo humano é a frequência do movimento vertical do corpo durante a caminhada, que varia entre 1 e 1,6 Hz. A frequência natural do corpo deve estar o mais próxima possível dessa faixa de frequência. Quando a rigidez do sistema de suspensão é constante, quanto menor a massa suspensa, menor a deformação vertical da suspensão e maior a frequência natural.
Quando a carga vertical é constante, quanto menor a rigidez da suspensão, menor a frequência natural do carro e maior o espaço necessário para a roda saltar para cima e para baixo.
Quando as condições da estrada e a velocidade do veículo são as mesmas, quanto menor a massa não suspensa, menor o impacto sobre o sistema de suspensão. A massa não suspensa inclui a massa da roda, da junta universal e do braço guia, etc.
Em geral, o braço oscilante de alumínio tem a massa mais leve e o de ferro fundido, a maior. Os demais ficam em posições intermediárias.
Considerando que a massa de um conjunto de braços oscilantes é geralmente inferior a 10 kg, em comparação com um veículo com massa superior a 1000 kg, a massa do braço oscilante tem pouco efeito no consumo de combustível.
2. Fator preço: depende do projeto.
Quanto mais exigências, maior o custo. Partindo do pressuposto de que a resistência estrutural e a rigidez do braço oscilante atendem aos requisitos, as tolerâncias de fabricação, a complexidade do processo de fabricação, o tipo e a disponibilidade do material e os requisitos de resistência à corrosão superficial afetam diretamente o preço. Por exemplo, fatores anticorrosivos: o revestimento eletrogalvanizado, por meio de passivação superficial e outros tratamentos, pode atingir cerca de 144 horas de resistência; a proteção superficial divide-se em revestimento por eletroforese catódica, que pode atingir 240 horas de resistência à corrosão através do ajuste da espessura do revestimento e dos métodos de tratamento; revestimento de zinco-ferro ou zinco-níquel, que pode atender aos requisitos de teste anticorrosivo de mais de 500 horas. À medida que os requisitos de teste de corrosão aumentam, o custo da peça também aumenta.
O custo pode ser reduzido comparando os esquemas de projeto e estrutura do braço oscilante.
Como todos sabemos, diferentes configurações de pontos de fixação proporcionam diferentes desempenhos de condução. Em particular, deve-se destacar que a mesma configuração de pontos de fixação, com diferentes designs de pontos de conexão, pode resultar em custos diferentes.
Existem três tipos de conexão entre as peças estruturais e as juntas esféricas: conexão por meio de peças padrão (parafusos, porcas ou rebites), conexão por interferência e integração. Comparada à estrutura de conexão padrão, a estrutura de conexão por interferência reduz o número de peças, como parafusos, porcas, rebites e outras. A integração em peça única, em comparação com a estrutura de conexão por interferência, reduz o número de peças da carcaça da junta esférica.
Existem duas formas de conexão entre o elemento estrutural e o elemento elástico: os elementos elásticos dianteiro e traseiro são axialmente paralelos e axialmente perpendiculares. Métodos diferentes determinam processos de montagem diferentes. Por exemplo, se a direção de prensagem da bucha for a mesma e perpendicular ao corpo do braço oscilante, uma prensa de cabeçote duplo de estação única pode ser usada para prensar as buchas dianteira e traseira simultaneamente, economizando mão de obra, equipamentos e tempo. Se a direção de instalação for diferente (vertical), uma prensa de cabeçote duplo de estação única pode ser usada para prensar e instalar a bucha sucessivamente, economizando mão de obra e equipamentos. Quando a bucha é projetada para ser prensada por dentro, são necessárias duas estações e duas prensas para prensar a bucha sucessivamente.
