Capítulo 1: Direção- conceitos e características construtivas

O desempenho dos automóveis da atualidade e as melhores condições de tráfego exigem do carro performance superior para garantir dirigibilidade, estabilidade e frenagens seguras. A evolução da geometria de direção e dos seus conceitos está entre as soluções. Hoje, para alinhamento das rodas, é necessário equipamentos de tecnologia recentíssima, experiência e muita especialização profissional.

Por: Redação

Quando o assunto é geometria de direção, normalmente se pensa na posição das rodas para a condição de marcha. O objetivo é combinar a condução segura do veiculo, anulando as tendências direcionais, com a elevada vida útil dos pneus. Este fundamento básico, atualmente é um tanto simplista, em função da evolução dos conceitos sobre o tema.

Hoje, com todos os recursos tecnológicos que auxiliam nos processos produtivos dos veículos, nas possibilidades de aplicação de novos materiais, nos estudos individualizados em função das dinâmicas de cada produto, desenvolvimento de novos sistemas de suspensão, direção e freios, ampliam-se rapidamente as perspectivas de soluções, gerando, a cada lançamento, novos elementos de analise e controle para geometria de direção.

Foi assim com o raio negativo de rolagem, lançado na década de 1970 pela Volkswagen no Brasil. A combinação desta solução com o circuito de freio em diagonal garante frenagens em linha reta, mesmo que o veiculo esteja com um dos pneus direcionais murchos. Este efeito modificou o paradigma que dizia, na época: “Ao murchar um pneu, a tendência do veiculo é girar em torno da roda que está com baixa pressão”.

Suspensão four link (de quatro braços) do Passat

Sistema de direção

Outro exemplo que retrata bem esta situação é a geometria de direção do Passat, só que, agora, nos referimos às versões lançadas a partir de 1997: este carro possui valores de convergência e cáster que variam em função do curso da suspensão e da altura do veículo. Tudo isso tem o objetivo de evitar que a roda, ao passar por depressões acentuadas, seja forçada, por falta de curso ou comprimento na barra de direção, a uma tendência direcional. E impede que a barra de direção “puxe” a manga de eixo durante a distensão da suspensão.

Isto pode ocorrer num veículo convencional porque, com a distensão total da suspensão, a barra de direção pode ser puxada, ficando “curta” para este regime. Desta forma, para a convergência do Passat, além da convencional especificação de valores mínimo e máximo, regulável pelas barras de direção, existe também uma curva de valores que varia em função do curso da suspensão. Esta especificação, no Passat, é chamada de ponto S, e é ajustável na junção de união da barra de direção com a manga de eixo.

Um pouco sobre o sistema de direção
Do nosso ponto de vista, o tema geometria de direção é tratado erroneamente como geometria da suspensão. Para nós, o correto é dizer que a suspensão tem interferência no comportamento direcional do veículo, pois seus componentes influenciam na posição das rodas e na estabilidade do automóvel.
Porém, quando tratamos das posições das rodas e eixos para a condição de marcha, estamos trabalhando com o sistema que deve garantir que o veículo siga a trajetória desejada pelo motorista em qualquer condição de condução (aceleração, desaceleração e frenagem), tanto em linha reta quanto ao descrever curvas, por isso, adotamos como título Geometria de direção.

Assim, antes de detalhamos o assunto, é fundamental conhecer algumas características importantes dos sistemas de direção, pois, influem diretamente na estabilidade de marcha, permitindo que o veículo seja conduzido para o sentido selecionado pelo motorista e evitando que uma das rodas se arraste em relação às demais.

Fundamentos – Inicialmente um sistema de direção deve apresentar respostas rápidas e seguras entre o volante e as rodas e retornar à posição de rodas alinhadas a frente após a realização de ângulo de esterçamento. A transformação do movimento rotativo em linear é feita pelo conjunto pinhão e cremalheira. Como resultante desta relação teremos, a cada volta do pinhão, um deslocamento linear correspondente na cremalheira. E o movimento linear da cremalheira será novamente convertido em angular pela junção manga de eixo e pino-mestre, resultando no esterçamento das rodas.

Assim, a movimentação no volante em valor angular corresponde a um determinado movimento, também em valor angular, nas rodas. Isto resulta na relação de “desmultiplição” do sistema de direção, que atua de duas formas: modifica o esforço do motorista ao volante, ou altera o ângulo de esterçamento nas rodas. Para diminuir o esforço do condutor, é necessário reduzir o diâmetro do pinhão, o que eleva a altura dos dentes da cremalheira. Este recurso exige mais voltas no volante para se realizar um mesmo ângulo de esterçamento nas rodas (com o pinhão menor, são necessárias mais voltas no volante para o mesmo deslocamento linear da cremalheira).

Um sistema de direção mecânica exige muitas voltas ao volante para a realização dos ângulos de esterçamento nas rodas

O que mostramos pode tornar o dirigir uma operação desconfortável, daí a vantagem do sistema de direção hidráulica. Enquanto num sistema mecânico é necessário muito mais do que duas voltas no volante para, a partir do centro, realizar uma manobra de esterçamento total, num sistema de direção com servo-assistência hidráulica, a mesma manobra é realizada com pouco mais de uma volta (também a partir da posição central do volante). A servo-assistência hidráulica fornece a força adicional para a realização da manobra, possibilitando o uso de pinhões maiores. Na essência, essa relação entre o movimento angular do volante e do esterçamento nas rodas é representada pela “desmultiplicação” do sistema de direção. Trata-se do quociente entre esses valores. Se, por exemplo, numa volta completa do volante (360°) se obtém um ângulo de esterçamento na roda que corresponde a 18° dizemos que a relação de “desmultiplicação” é 360/18 (a cada 360° girados no volante, obtém-se 18° de esterçamento nas rodas). Este dado resulta numa relação de 20:1 ou seja: uma volta de 360° no volante corresponde a um ângulo de esterçamento 20 vezes menor na roda (neste caso, 18°). Quanto maior a relação de “desmultiplicação”, menor o esforço ao volante, porém, será necessário maior número de voltas para a obtenção do mesmo ângulo de esterçamento, comprometendo a rapidez da manobra e a precisão da resposta (sensibilidade de condução).

Tal consideração é importante porque um sistema de direção combinado com boa geometria e suspensão não devem transmitir ao volante as irregularidades da pista. Mas o motorista deve ter a sensação de contato entre a pista e o pneu para que o conjunto lhe passe segurança.

As forças que atuam no veículo e nas rodas
Para definir as especificações da geometria de direção devemos, além de considerar a harmonia dimensional entre os fundamentos relativos às posições dos eixos que definem a posição das rodas, levar em conta o comportamento dinâmico do veículo e das rodas propriamente ditas. Esse comportamento está diretamente ligado ao deslocamento das massas que ocorre ao frear, trafegar com carga total ou descrever curvas. Numa frenagem, por exemplo, o deslocamento das massas para o eixo dianteiro pode modificar a posição do cáster, elevando a carga de trabalho sobre as rodas de diretrizes, deixando o sistema mais sensível às oscilações laterais. Porém, este comportamento se modifica completamente com o porta-malas do veículos carregado. A redução de altura da traseira é respondida proporcionalmente por uma elevação no eixo dianteiro, resultando em um novo ângulo de cáster, que pode reduzir a sensibilidade ao volante, deixando a direção muito leve, mesmo com o carro transportando cargas. São as forças que atuam no veículo influenciando o comportamento da suspensão e da geometria de direção.

Os ângulos da geometria de direção também são dimensionados para atuar nas rodas, equilibrando as forças dinâmicas que agem diretamente nelas, como a de aplicação de torque (tração), a força da gravidade, a centrífuga das rodas (forças laterais), a força de atrito entre pneu e a pista, e a força de frenagem.
Todas essas variáveis interferem no comportamento direcional do veículo e são consideradas na determinação da geometria de direção por meio de exaustivos testes em pistas especiais com piso secos, molhados, mistos, tráfego em superfícies de vidro, medições com sensores de carga etc. Esta explicação nos dá a dimensão da importância para a geometria de direção de uma simples regulagem dos rolamentos que determinam a folga do cubo das rodas.

É importante levarmos em conta que, adicionalmente às forças de tração, frenagem e das massas, um pneu também é submetido à força centrífuga que atua nas rodas, deformando o pneu no sentido radial, de maneira que, quando o sentido de direção é modificado, a deformação resultante atua na roda como força lateral pela ação da força centrífuga da mesma. Somando-se este grupo de forças, obtemos um diagrama conhecido com círculo Kamm.

A roda deve manter seu curso, mesmo sob influência da força centrífuga que tende a desviá-la para o lado externo da curva. Este esforço é chamado força lateral

Se a força lateral (resultante da força centrífuga que tende a tirar a roda do sentido dirigido) permanecer dentro da área do círculo Kamm, o atrito do pneu será suficiente para manter a aderência na estrada e o veículo permanecerá estável. Se a resultante ou uma das forças se estender para fora do círculo, ocorre o deslizamento do pneu e o veículo ficará instável. Esta resultante de força que sai do círculo Kamm colabora para a tendência direcional. Tais forças são estudadas e compensadas pelos ângulos posicionais das rodas para garantir o correto comportamento dinâmico no piso e a aderência adequada, com paralelismo entre as rodas e a concentricidade ao descrever curvas.

Quando as forças não são compensadas pelos ângulos da geometria de direção, a resultante força lateral, por exemplo, deforma elasticamente os pneus, desviando da trajetória definida pelo condutor. Nesta condição, surge o ângulo de deriva- que é a diferença entre a trajetória teórica (definida pelo condutor) e a direção seguida pela roda- e o veículo apresenta tendência direcional.