Capítulo 2: Princípio de Ackermann: como tudo começou

Por: Redação

Mecanismo mais simples de direção – o eixo da frente roda em torno de um eixo central. As rodas giram em volta do mesmo centro

A preocupação com os ângulos posicionais das rodas começou muito antes da invenção do automóvel. Em 1818, o inventor alemão Rudolf Ackermann registrou a patente de um dispositivo de direção que denominou “o princípio de direção geometricamente correta”, segundo o qual quando um veículo percorre uma curva, as suas rodas devem descrever segmentos de círculos concêntricos. Se uma roda descrever uma trajetória diferente, tenderá a derrapar o correspondente à diferença das trajetórias, resultando no desgaste do pneu por arraste e perda de atrito na roda que desliza. Num sistema de direção simples, de atuação no eixo e não nas rodas, para se conseguir este efeito de concentricidade é necessário realizar um grande ângulo no eixo direcional, tornando a operação de manobra desgastante, demorada e de baixa segurança.

Sistema de direção com princípio de Ackermann

O sistema de direção baseada no princípio de Ackermann utiliza mangas de eixo para o esterçamento das rodas independentes (para cada lado), cujo objetivo é fazer com que as rodas descrevam circunferências concêntricas

Com este conceito era necessário que o eixo dianteiro girasse parcialmente em torno de um ponto central (pivô). Nesta condição, se fazia necessário um grande movimento angular do eixo dianteiro. Para resolver o problema, segundo o princípio Ackermann, o eixo direcional (dianteiro) passou a trabalhar fixo e os movimentos de esterçamentos passaram a ser individuais, por roda, usando as conhecidas mangas de eixo independentes no eixo dianteiro. Esta solução com a geo­metria do trapézio da direção, fez com que uma roda esterçasse mais do que a outra ao descrever cur­vas, dando concentricidade aos diâmetros de giros, segundo o princípios de Ackermann, que foi aplicado num automóvel francês em 1878 por Jeantaud.

A aplicação deste princípio faz com que as linhas imaginárias que passam pelos eixos de todas as rodas, da frente e de trás, passem também pelo mesmo ponto ou muito próximo deste, o qual deverá corresponder ao centro da curva que o automóvel irá descrever. Para obter este efeito, a roda dianteira do lado de dentro da curva deve ser mais esterçada do que a outra, o que se consegue com o auxílio da geometria do sistema de direção, relacionando-se o afastamento entre os pontos de centro para os esterçamentos das rodas dianteiras e o afastamento entre os pontos de acionamento das barras de direção. (Veja ilustração acima).

Como o afastamento entre os pontos de atuação da barra de direção é mais curto que o existente entre os pontos de esterçamento das rodas (trapézio), a roda direita (descrevendo-se uma curva para a direita), move-se segundo um ângulo maior do que o da esquerda. O mesmo acontece ao se descrever uma curva para a esquerda: a roda esquerda faz um ângulo maior do que a direita.

Em linha reta, o afastamento mais longo é representado pela distância existente entre os pontos de esterçamento das rodas. O afastamento mais curto é representado pela distância entre os pontos de acionamento das barras de direção

Ao descrever uma curva para a direita, a roda do lado direito esterça mais do que a da esquerda

O pino-mestre de direção e os ângulos da geo­metria
Como já vimos, o termo geometria de direção se refere ao conjunto de grandezas geométricas que definem a posição relativa das rodas para combinar a condução segura do veículo, anulando as tendências direcionais, com o aumento da vida útil dos pneus. Para atingir esses objetivos nas mais diversas condições de uso, teoricamente esses ângulos devem fazer com que as rodas trabalhem perpendiculares à via de tráfego e tenham suas faixas de rolamentos tangentes à trajetória do veículo. Este conceito, um tanto óbvio, é incompleto, pois existem outros requisitos que devem ser atendidos porque algumas condições devem ser respeitadas, em nome de segurança de tráfego e em função dos seguintes motivos:

-O movimento das rodas direcionais, por exemplo, deve retornar automaticamente à posição de marcha retilínea, o que serve para que o motorista sinta a posição assumida pelas rodas diretrizes, após a manobra;

-Ao trafegar por vias acidentadas, a movimentação vertical da roda em relação ao veículo certamente ocorre nos limites dos cursos da suspensão (superior e inferior). Este trabalho da suspensão deve ocorre sem influenciar no posicionamento da roda em relação ao solo, nem dar golpes no volante;

-A posição da roda em relação ao solo não deve ser influenciada pelas forças que atuam nela. Prevendo posicionamentos, que considerem as deformações da banda de rodagem ou banda lateral dos pneus para impedir o surgimento do ângulo de deriva que resultará em tendência direcional.

Para atender a esses requisitos e outras variáveis que surgem durante o desenvolvimento do projeto, o engenheiro automotivo lança mão dos recursos angulares da geometria de direção que são representados pelas diversas variáveis que definem a posição das rodas em relação ao solo e pela posição do pino-mestre da direção em relação aos eixos longitudinal e transversal do veículo.

O pino-mestre permite a movimentação radial da manga de eixo (raio de esterçamento da roda) em relação aos braços da suspensão

Inclinação do pino-mestre da direção – Ao se esterçar uma roda, esta é movimentada radialmente em torno de um centro, semelhante ao que acontece quando se usa um compasso. Para descrever um círculo com um compasso, deve-se apoiar uma agulha (chamada de ponta seca) no papel e girar o grafite no diâmetro desejado. O pino-mestre da direção tem a mesma função da ponta seca do compasso: é o centro de giro para formação do raio de esterçamento das rodas diretrizes. Pode ser físico, como acontece na Kombi, ou geométrico, como nos demais modelos Volkswagen.

Projetando-se o centro do pino-mestre no solo e traçando-se uma linha de centro que determine o eixo vertical central da roda, teremos dois pontos. O afastamento entre eles forma um raio de rolagem direcional. Relacionando-se a inclinação do pino-mestre com o plano central vertical da roda, consegue-se modificar a suavidade da direção para reduzir o esforço do motorista ao orientar as rodas diretrizes, bem como facilitar o retorno destas à posição de marcha a frente(posição inicial).

Com base nesta análise, é mais fácil entender porque a inclinação do pino-mestre da direção influencia na facilidade de manobra e no retorno do volante à posição central. Quanto menor a alavanca de resistência (braço de alavanca do raio de rolagem direcional), menor o esforço a ser aplicado no volante. Este efeito também deve ser analisado pensando-se que uma roda direcional pode encontrar um obstáculo ao rolamento. Aplicando-se um raio de rolagem de alavanca elevada, certamente se sentirá um golpe ao volante que dificilmente poderá ser neutralizado pela força do motorista, o que, decerto, resultará em mudança brusca de direção.

Nas suspensões McPherson, o pino-mestre não é uma peça física, mas, geométrica. Nelas, o esterçamento das rodas acontece girando a coluna de suspensão praticamente em torno do seu eixo, tendo, como segundo ponto de apoio, a ponteira de articulação instalada no braço da suspensão (braço triangular ou bandeja). Projetando-se uma linha que ligue o centro da haste do amortecedor, passando pelo centro da ponteira de articulação e projetando-a até o solo, teremos a linha de centro do pino-mestre da direção na suspensão McPherson. A distância entre os dois pontos é o raio de rolagem direcional.

Raio de rolagem direcional positivo ou negativo- Nos veículos com suspensão McPherson, para se modificar a dimensão do raio de rolagem direcional é necessário mudar a inclinação da coluna de suspensão no sentido transversal do veículo (para dentro, eleva-se o raio de rolagem e para fora, diminui). Com a alteração posicional da coluna para o centro do veículo, a projeção do eixo do pino-mestre no solo aproxima-se do centro da banda de rodagem do pneu, podendo até ultrapassar esta posição.

Com este conceito, podemos dizer que o raio de rolagem pode ser positivo (localizado do centro da banda de rodagem do pneu para o lado de dentro da bitola das rodas) ou negativo (do centro da banda de rodagem do pneu para fora). Analisando o comportamento dinâmico da roda com raio de rolagem direcional positivo, a alavanca formada pelo raio de rolagem sempre deverá ser vencida pelo sistema de direção. Quando uma das rodas direcionais encontra um obstáculo, esta força é facilmente sentida no volante, em função do momento de torque gerado.

O raio negativo da rolagem neutraliza essa caraterística. Seu efeito pode ser sentido quando uma das rodas apresenta um coeficiente de atrito ou de arraste muito elevado (semelhante ao que acontece quando um pneu murcha). Quando o veículo trabalha com raio positivo de rolagem, a tendência natural é que este gire em torno da roda cujo coeficiente de arraste está mais elevado. Com o raio negativo de rolagem, a alavanca que se forma faz com que a roda seja forçada a abrir, evitando a derrapagem de traseira do veículo.

É importante destacar que a característica do raio de rolagem negativo pode ser alterada, ou até anulada, quando se troca um aro de roda por outro que não atenda às especificações dimensionais previstas para o veículo. Afirmamos isto porque uma das especificações importantes para as rodas é chamada de off set, normalmente representada pelas letras ET seguidas de um numero (por exemplo : ET 38). Essa especificação representa a distância, em milímetros, entre a flange de apoio da roda no cubo até o centro da banda de rodagem do pneu. No exemplo dado, a medida e 38 mm. Alterando-se a especificação muda-se também a localização do centro da roda e, consequentemente, o raio de rolagem, podendo até modificá-lo de negativo para positivo.

Portanto, para a avaliação do raio de rolagem direcional no veículo, é fundamental que as rodas respeitem a especificação para o produto, particularmente, a distância off set. A especificação é conhecida como KPI (King Pin Inclination – inclinação do pino-mestre) porque é esta a grandeza medida, e não o raio de rolagem. Por exemplo, uma Parati com direção mecânica possui uma inclinação de 12°15’ (12 graus e 15 minutos) no eixo do pino-mestre da direção em relação ao plano vertical da roda.

Cáster – Até aqui abordamos a inclinação do pino-mestre no sentido transversal do veículo (KPI). Do mesmo modo que analisarmos essa inclinação, temos que estudar a inclinação do pino mestre no sentido longitudinal. Quando fazemos isto, estamos falando do cáster.

Detalhando a informação, visto pela lateral do veículo, o ângulo de cáster é dado pelo ângulo formado pela linha vertical que passa pelo centro da roda dianteira e pela linha que passa pelo centro do pino-mestre da direção. A principal finalidade do ângulo de cáster é manter as rodas retas para a frente, resultado da força aplicada ao eixo e ao grau de inclinação.

Para o esterçamento das rodas é necessário vencer a alavanca de resistência formada pelo ponto de projeção do eixo do pino-mestre no solo e o centro de contato da banda de rodagem

O ângulo de cáster gera uma força de reação no sentido de marcha do veículo, proporcional à carga que atua no pino-mestre da direção. Tal força se aplica no ponto de interseção do eixo do pino-mestre com a pista. Quando a roda é esterçada, o ponto de interseção se separa do eixo tangente e logitudinal da roda com a pista. Assim, surge um braço de alavanca transversal, efeito que gera um torque no sentido contrário ao de esterçamento, dependendo do tamanho da alavanca e do sentido da força. É ele que recupera a posição de linha reta à roda.

Cambagem ou câmber – É o ângulo da geometria de direção mais famoso e geometricamente menos conhecido. Fisicamente, trata-se da inclinação lateral da roda em relação a sua linha de centro vertical. No princípio do sistema de transporte por carroças (tração animal), se utilizavam grandes rodas raiadas para vencer as “toscas” estradas da época. Uma roda menor facilmente ficaria presa num buraco. Esta condição resultava em frequentes fraturas dos raios, devido a deficiência de distribuição da carga. Como alternativa, surgiram as rodas com dupla fileira de raios, semelhante ao que se aplica ainda hoje nas rodas das bicicletas. Isso melhorou a distribuição da carga, mas, ainda não resolveu a mudança de concentração desta quando o veículo era carregado. Em geral, a carga defletia o eixo, fazia com que as rodas trabalhassem com contato irregular entre o pneu e a pista e ainda forçava a condição de trabalho do mancal de deslizamento e, mais tarde, de rolamento.

A Cambagem ou câmber foi a resposta a esses problemas. Trata-se do ângulo formado entre a linha, vertical perpendicular ao solo e a que passa pelo centro da banca de rodagem do pneu. Dando-se uma inclinação às rodas, de forma que fiquem com a parte superior para fora, ao se carregar o veículo, estas assumem uma posição mais perpendicular ao solo, reduzindo a carga sobre o pino-mestre da direção e os rolamentos das rodas.

O ângulo de cambagem facilita o giro do volante, ao reduzir a carga de trabalho sobre o pino-mestre da direção e rolamentos das rodas. Quando a roda está inclinada, a banda lateral do pneu se deforma devido ao seu peso e intensidade da inclinação. A deformação dá a roda uma conicidade que impedirá que esta siga em linha reta. Isto acontece porque o raio de giro varia e o contato do pneu com o solo apresenta diferentes diâmetros (conicidade), fazendo com que a roda tenda a descrever um círculo em torno do vértice do ângulo determinado pela conicidade.

O resultado disto é um desgaste concentrado no ombro externo do pneu, fazendo com que o veículo tenha tendência direcional. É importante destacar que, em função desta característica, a tendência direcional de um veiculo sempre ocorre para lado de maior cambagem. Por isso é essencial seguir as especificações à risca, e que a diferença da cambagem entre os lados no mesmo eixo seja a menor possível. Os valores de cambagem podem ser positivo, negativo ou neutro.

As forças que agem na banda de rodagem são multiplicadas pelo braço de alavanca, formando a força de resistência ao esterçamento feito no volante

Ângulo incluído – Num carro com suspensão independente, que trafegue em piso de diferentes alturas, durante o trabalho, rodas do mesmo eixo podem assumir uma posição de cambagem muito diferente das opostas. Essas variações de cambagem podem gerar uma tendência direcional. Somando-se a inclinação do pino-mestre da direção(KPI) com a cambagem, temos o ângulo incluído determinado para inibir essa tendência. É um efeito de especial importância porque, somando-se a cambagem com a inclinação do pino-mestre, obtém-se alavancas que alteram o raio de rolagem.

Quando a suspensão de um dos lados é forçada para cima, a cambagem da roda tende ao negativo e a inclinação do pino-mestre, a aumentar para o positivo. Isto faz com que o raio de rolagem seja reduzido, minimizando as influências de obstáculos a serem vencidos pelas rodas no comportamento direcional.

Convergência – Como já foi comentado, durante a marcha do veículo surge uma série de forças nas rodas que, combinadas com os ângulos de cambagem, cáster e KPI, modificam o paralelismo das rodas. A convergência visa compensar essas variações. Trata-se do ângulo formado entre linha de centro da banda de rodagem do pneu e a linha que passa longitudinalmente ao centro dos eixos.

A convergência será positiva quando as rodas estiverem voltadas para o centro da linha longitudinal, em sentido de marcha, e negativa, quando a linha central da banda de rodagem do pneu estiver para fora da linha longitudinal, em movimento (este ângulo negativo também é chamado de divergência).

Fora da especificação a convergência causa desgaste irregular, do tipo escamado, nos pneus. Em geral, veículos de tração dianteira trabalham segundo uma convergência negativa porque a tração tende a fechar as rodas. Naqueles de tração traseira, a convergência é normalmente positiva porque as rodas tendem a abrir ao trafegar em linha reta.