Técnico de Mecatrónica Automóvel - Nível IV Curso EFA
Código: 5007 Carga horária: 50 horas
UFCD: Diagnóstico e Reparação em Sistemas de Direção e Suspensão
Introdução ............................................................................................................................................................ 2 Sistema de direção ............................................................................................................................................... 3 Diagnóstico e reparação do sistema de direção .............................................................................................. 4 Sistema de Suspensão .......................................................................................................................................... 5 Molas de suspensão ......................................................................................................................................... 6 Amortecedores ................................................................................................................................................. 8 Barras estabilizadoras....................................................................................................................................... 9 Suspensões mecânicas ................................................................................................................................... 10 Suspensão independente Mc Pherson ........................................................................................................... 12 Suspensão por barra de torção ...................................................................................................................... 13 Suspensões no eixo traseiro ........................................................................................................................... 13 Suspensão Multilink ....................................................................................................................................... 16 Suspensão Pneumática ................................................................................................................................... 17 Suspensões hidropneumáticas ....................................................................................................................... 18 Conclusão ........................................................................................................................................................... 23
Detalhe da UFCD 5007 - Diagnóstico e reparação em sistemas de direcção/suspensão Carga horária: 50 horas Objectivos
Identificar, caracterizar, descrever a função e funcionamento dos sistemas de direcção e os seus componentes.
Identificar e caracterizar sistemas de suspensão.
Diagnosticar, identificar e reparar avarias em sistemas de direcção.
Diagnosticar, identificar e reparar avarias em sistemas de suspensão.
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Paulo Fidalgo
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Conteúdos
Tipos de sistemas de direcção (mecânicas, hidromecânicas, hidro-eléctricas e eléctricas) Funcionamento dos sistemas de direcção Componentes dos sistemas de direcção Características dos sistemas de direcção assistida Sobreviragem e subviragem Distância entre eixos e distância entre rodas Função de um sistema de suspensão Tipos de sistemas de suspensão Componentes do sistema de suspensão Princípio de funcionamento dos sistemas de suspensão Componentes dos sistemas de suspensão Amplitude e frequência em movimentos oscilatórios Massas suspensas e não suspensas Efeitos de anomalias no sistema de suspensão Tipos de equipamentos de ensaio de sistemas de suspensão (Des)montagem de componentes Verificação de componentes do sistema de direcção Verificação dos circuitos do sistema de direcção assistida Avarias em sistemas de direcção Tipos de diagnóstico a efectuar em sistemas de direcção Diagnóstico de avarias de sistemas de direcção (Des)montagem de componentes Verificação de componentes do sistema de suspensão Causas típicas de avarias em sistemas de suspensão Tipos de diagnóstico a efectuar em sistemas de suspensão Reparação de sistemas de suspensão Verificação de componentes do sistema de suspensão
Introdução Direcção e suspensão trabalham em acordo entre si e dependem um do outro para o bom funcionamento e relação entre os dois sistemas. Além disso as rodas e os pneus, que fazem parte dos não suspensos e responsáveis pelo contacto da viatura ao solo, nas suas propriedades e características, são um factor fundamental que influenciam no comportamento dos sistemas de direcção e suspensão. Existem diferentes tipos de suspensão, diversos tipos de órgãos utilizados com diferentes características e propriedades de forma a desempenhar um bom desempenho e relação no comportamento da viatura e da sua estrutura suspensa, em relação ao tipo de pavimento e suas irregularidades e de forma a contornar os diversos movimentos e direcções efectuados pela viatura em rolamento. Assim como as características e propriedades dos componentes do sistema de direcção, os vários tipos e formas de funcionamento de modo a assegurar a perfeita condução do veículo nas diversas manobras que são impostas para sua circulação.
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Sistema de direção Constituído pela coluna de direcção na parte de comando junto ao volante numa caixa onde o seu eixo é fixado com rolamentos para o movimento giratório do volante e ligado por cruzetas ou cardans que vão articular o movimento até acoplar ao pinhão (sem-fim) da caixa de direcção. A parte operativa é constituída pela caixa de direcção onde o pinhão roda em cima duma cremalheira (régua dentada), deslocando para a esquerda ou para a direita e lubrificado com óleo de alta viscosidade. Na engrenagem entre o pinhão e a cremalheira existe um sistema de ajuste através de parafusos, anilhas e molas que vão regular o encaixe e aproximação das zonas dentadas. Pode ter também o sistema hidráulico de direcção assistida com duas câmaras divididas por um êmbolo num eixo ligado à cremalheira, com uma bomba e através duma válvula rotativa junto do pinhão e que através de uma barra de torção faz o curso da pressão hidráulica entre câmaras conforme o curso da direcção exercida pelo condutor. O óleos hidráulicos da direcção é próprio, igual aos usados em caixas ATM.
Nas duas extremidades da cremalheira estão ligadas as barras axiais articuláveis que vão ligar à manga do eixo da roda, através de uns terminais. A articulação é uma esfera dentro de um compartimento ligado à ponta da cremalheira, devidamente lubrificada e protegida de contaminantes por um fole. Na outra ponta é enroscado o terminal e que serve também para regulação do alinhamento da direcção
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UFCD: Diagnóstico e Reparação em Sistemas de Direção e Suspensão As direções assistidas podem ser: sistema hidráulico (HPS) circuito hidráulico com bomba hidráulica; eléctro-hidráulico (EHSP) que substitui a bomba por um motor eléctrico que faz a pressão no circuito hidráulico; eléctrico (EPS). O motor eléctrico pode ser acoplado junto do pistão ou no bloco de direcção. O sistema eléctrico reduz o consumo em vez do processo mecânico e hidráulico, além que os motores de 14 volts ligados ao alternador são mais fiáveis e com melhor desempenho que os de 12 volts ligados à bateria e dependentes da variação de carga. Outro sistema de direcção composto por um sem-fim e esferas recirculantes, onde o eixo de entrada do volante liga ao sem-fim dentro de um bloco de metal (cremalheira com esferas) com furo rosqueado. Na parte externa uns dentes de engrenagem que movimentam o braço de direcção. As esferas actuam na redução do atrito da engrenagem e reduzem a folga de engrenamento.
Diagnóstico e reparação do sistema de direção Todos os componentes de uma direcção devem ser verificados, procurando folgas que possam existir nos terminais nas mangas no eixo das rodas ou nas articulações das barras axiais junto da ponta da cremalheira da caixa de direcção. Os foles devem ser verificados se não têm rupturas ou desapertados, para garantir a sua estanquicidade contra contaminantes e perca Fole da articulação da barra de lubrificante da articulação. O pinhão deve estar perfeitamente ajustado na cremalheira de modo a que não haja folgas ou excessivo aperto que provoque dano por atrito ou comprometa a manobra da direcção. Quando existe avaria no sistema hidráulico dentro da caixa de direcção, dificilmente tem reparação, tendo que substituir a caixa de direcção. Para retirar os terminais da manga existe um extractor adequado. Na coluna de direcção é fácil detectar se existem folgas nos cardans de articulação ou nos rolamentos de apoio.
Extractor de terminal Página 4 de 23
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Sistema de Suspensão Para que o veículo tenha um bom comportamento na estrada, está equipado com um sistema de órgãos para corrigir os movimentos oscilatórios, para que tenha boas condições dinâmicas nas irregularidades da estrada e dos movimentos do veículo, proporcionando segurança e conforto. Faz a ligação da carroçaria e chassis às rodas. Como propriedades tem: a elasticidade para absorver os ressaltos e o amortecimento que impede o balanceamento excessivo. Seus elementos principais são as molas helicoidais, amortecedores, braços oscilantes, barras estabilizadoras, pneus. Tem como função garantir a estabilidade do veículo mantendo-o numa posição plana na horizontal e transversal. Movimentos verticais: da ondulação do terreno. Movimentos horizontais: provocados pelas travagens e aceleramentos. Movimentos laterais: curvas ou ventos laterais.
Os pneus absorvem pequenas irregularidades do pavimento, as molas absorvem as maiores e os movimentos provocados pelo peso do veículo.
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Molas de suspensão O peso do veículo é suspenso na mola helicoidal, a força desta em repouso equivale ao peso da massa suspensa. A velocidade de oscilação na vertical do peso passa pela situação de repouso da mola sendo amortecido progressivamente pela força crescente desta até ao ponto de inversão de movimento. Ao que se dá a amplitude de oscilação entre o ponto inferior e superior de inversão. Dá-se uma repetição ao mesmo ritmo nesta sucessão de movimentos transformando a energia cinética em calor, que se designa por amortecimento de oscilação. A oscilação é todo o percurso de compressão e distensão. A frequência é o número de oscilações efectuadas por segundo. O fenómeno de ressonância acontece quando há duas frequências que se sobrepõem, por irregularidades da estrada que se sucedam a intervalos regulares. Pode haver ruptura da mola quando há uma elevada produção de calor derivado de grande amplitude de oscilação e frequência. As massas suspensas são as que estão rigidamente fixas ao chassis do veículo (carroçaria com carga), e massas não suspensas as que não estão rigidamente fixas ao chassis (braços de suspensão, semi-eixos, rodas com travões de tambor ou discos, elementos da suspensão das rodas). Para optimizar o sistema o peso das massas não suspensas deve ser reduzido ao mínimo sem diminuir a sua resistência. Os amortecedores se opõem em resistência diminuindo a amplitude de oscilação, mas não a frequência. O peso da massa se for maior numa mola leve aumenta a amplitude e diminui a frequência, um peso menor numa mola dura diminui a amplitude e aumenta a frequência. A relação entre a carga exercida e a amplitude do movimento resultante, constitui a flexibilidade da mola que é expressa em N/m. Molas de características lineares, a oscilação é proporcional ao peso adicionado. Molas de curva progressiva, a oscilação produz-se mais lentamente à medida que o peso aumenta. Só é possível manter uma altura constante com a introdução de um corrector de altura.
Constituídas na maioria dos casos por barras de aço temperado e com elasticidade, os três tipos de molas mais utilizados são:
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UFCD: Diagnóstico e Reparação em Sistemas de Direção e Suspensão Molas de Lâminas: numa lâmina mestra, à qual se fixam, por meio de um estribo e um parafuso central uma série de lâminas cada vez menores. Nas extremidades da lâmina mestra tem um anel para ligar ao chassis. A parte central fixa no eixo das rodas, ou no chassis se for transversal e extremidade no eixo. Utilizadas em veículos pesados, por transmitir directamente à carroçaria as forças longitudinais de aceleração. Os brincos permitem o alongamento da lâmina aquando das flexões.
Molas Helicoidais: utilizadas sobretudo em veículos ligeiros, feitas a partir de varão de aço, de secção circular enrolada em hélice. Funcionam por compressão e descompressão das suas espirais, e ao serem torcidas seccionalmente armazenam de modo mais eficaz a energia resultante do movimento ascendente e descendente. A sua curva característica é linear e praticamente não possuem amortecimento próprio. A flexibilidade depende do diâmetro do aço, número de espiras e comprimento. São económicas, pouco volumosas e leves. De enrolamento cónico ou bicónico, podendo encaixar-se no próprio espiral reduzindo a altura da mola quando está comprimida. A curva de flexibilidade é progressiva para uma elevada capacidade de carga. Barra de Torção: barra em comprimento circular ou quadrada de torção elástica sem flectir. Uma das extremidades está fixa à carroçaria e outra à articulação do braço de suspensão, na longitudinal ou transversal. As cabeças de fixação são estriadas para regular facilmente a torção. Alojadas numa tubagem protectora.
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Em certos casos também se utilizam molas de borracha e no caso das suspensões pneumáticas e hidro-pneumáticas existem componentes específicos com esta função. A carroçaria apenas se desloca numa distância correspondente à deslocação não absorvida pela elasticidade da mola. Num buraco a roda é acelerada para baixo por acção da mola que está contraída pelo peso do veículo. Suspensões com rodas independentes, apenas a roda é imediatamente acelerada, dado que a sua massa é muito inferior à massa da carroçaria do veículo. Se a energia for maior ao que a roda absorve a roda perde o contacto com o solo e toda a estrutura sofre o impacto da irregularidade em proporção da diferença que o amortecimento não consegue absorver.
Amortecedores Os amortecedores impedem que os movimentos de compensação e distensão das rodas se repitam levando-os mais rapidamente à posição de repouso. Vai controlar a acção da mola por compressão absorvendo a energia de oscilação Os braços da suspensão fazem a ligação articulada entre a roda e o chassis ou monobloco e a sua disposição influência no comportamento do veículo, assegurando a boa aderência das rodas ao solo, estabilidade vertical e curvas, reduzir a trepidação da direcção. Existem amortecedores telescópicos: hidráulicos, de gás, de compensação de carga. Pode ser monotubo ou bitubo (dois tubos em que o espaço entre eles funciona como câmara de compensação. 1 - Encaixe superior (vareta) Dentro do cilindro desloca-se um êmbolo com uma 2 - Sistema de vedação de baixa fricção válvula bi-direccional dividindo em duas câmaras e que comprime o óleo por uns orifícios no êmbolo. Em 3 - Guia das hastes do pistão com casquilho revestido a Teflon caso de muita oscilação pode dar-se o fenómeno de 4 - Haste do pistão cavitação (formação de espuma).Nos amortecedores 5 - Gás de baixa pressão bitubo as forças de compressão são controladas por 6 - Vedante de mola 7 - Pistão uma válvula de compressão existente na base do amortecedor, através da qual o óleo passa da câmara 8 - Sistema da válvula multi-fásico no pistão 9 - Óleo hidráulico de compressão para a câmara de compensação (ou 10 - Encaixe inferior (suporte) equalização). Este movimento é provocado por um 11 - Válvula multi-fásica da base êmbolo que desliza no interior do tubo cheio de óleo. O corpo do êmbolo tem orifícios calibrados que permitem a passagem do óleo entre as Página 8 de 23
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UFCD: Diagnóstico e Reparação em Sistemas de Direção e Suspensão duas partes do cilindro (superior e inferior). Quando o volume diminui, ou seja na compressão, o óleo é impelido de novo para o câmara de equalização, através da válvula de compressão. Quando a haste se movimenta para fora, ou seja no ressalto, o volume aumenta equivalente ao volume anteriormente ocupado pela haste do êmbolo, criando-se uma depressão que obriga o óleo a passar pelas válvulas do êmbolo e ao mesmo tempo através de um orifício na válvula de compressão. Nos amortecedores a gás, quando a haste do êmbolo passa para dentro do corpo, desloca uma pequena quantidade de óleo, que comprime o azoto. Desta forma o gás sofre alterações de volume. A pressão exercida pelo gás garante uma resposta instantânea, bem como um funcionamento muito silencioso das válvulas do êmbolo. Amortecedor hidropneumático usualmente designado por esfera, é um amortecedor que dispensa qualquer tipo de mola. Dentro da esfera existem, separadamente por uma membrana, um gás que ocupa a parte superior da esfera, e um líquido que ocupa a parte inferior. É ao líquido que está ligado o êmbolo (5) de amortecimento que se encontra inserido no cilindro. A utilização destas esferas permite que a distância ao solo seja constante, independentemente da carga a que a suspensão esteja submetida. A - Azoto B - Óleo 1 - Cilindro 2 - Esfera 3 - Válvulas 4 - Entrada e saída de óleo 5 - Êmbolo 6 - Fole 7 - Rótula 8 - Eixo do braço de suspensão 9 - Braço de suspensão 10 - Suporte do cilindro 11 - Biela 12 - Haste 13 - Membrana ou diafragma 14 - Limitador
Barras estabilizadoras Para contrariar a tendência para adornar em curva ou o efeito dos ventos laterais. Liga entre si os conjuntos de órgãos que constituem as suspensões. É normalmente constituída por uma barra de aço, recurvada em cada ponta, de modo a formar dois braços paralelos. A barra é fixa nas longarinas do quadro por dois casquilhos equipados geralmente por silent blocks, e a extremidade de cada braço da barra é ligada ao eixo ou ao triângulo da suspensão. Funciona por torção, pois os movimentos verticais da suspensão são transmitidos à barra transversal, que gira nos seus casquilhos solidários ao chassis ou à carroçaria. Quando uma das rodas se aproxima da parte suspensa, a barra imprime um movimento igual à outra roda, ou seja tende a obter um movimento equivalente nas duas rodas, opondo-se à inclinação da massa suspensa durante as viragens, endurecendo a suspensão quando se inicia a adornagem. Tanto pode ser montada no eixo dianteiro como traseiro.
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Suspensões mecânicas A maioria dos veículos ligeiros utilizam sistemas de suspensão independentes braços articulados sobrepostos (trapézio articulado) nas rodas dianteiras, tendo como vantagem os movimentos e as vibrações de uma das rodas não afectarem a outra, permanecendo em contacto permanente com o solo. O movimento das rodas não se transmite ao chassis com tanta violência. Diminui a massa não suspensa, o peso dos braços oscilantes deste sistema é inferior ao peso de um eixo rígido. Proporciona uma maior comodidade na condução do veículo e uma maior estabilidade. Por outro lado um eixo rígido bem desenhado pode permitir uma boa altura do solo, sem perder a tracção e a estabilidade direccional do veículo. É constituído pelos braços (A) e (B), articulados num dos extremos através dos eixos (C) e (D), sendo o outro extremo fixo à manga de eixo (E), através das rótulas (F) e (G), sobre as quais a manga de eixo pode girar para orientar a roda nela acoplada. Entre o braço oscilante inferior (B) e o chassis interpõe-se a mola (H) que absorve as irregularidades da estrada. No seu interior encontra-se o amortecedor telescópico (I), que faz a ligação entre o braço (B) ao chassis através do suporte (K). Quando a roda sobe devido às irregularidades do terreno, eleva a manga de eixo (E), que por sua vez, eleva os braços (A) e (B) a partir dos extremos que lhe estão unidos pelas rótulas (F) e (G). O movimento do braço oscilante (B), comprime a mola (H), que se opõe ao movimento vertical e o amortecedor (I) atenua as oscilações da mola quando a roda passa pelo obstáculo. Assim se garante a estabilidade e o sistema de direcção do veículo e o apoio adequado da roda sobre o piso. Nesta figura no suporte (B) coloca-se a borracha (A) que limita a compressão da mola para não ultrapassar o seu limite de carga, que poderá resultar na ruptura da mola. O amortecedor telescópico une-se ao suporte da carroçaria pela sua extremidade superior, e ao braço oscilante (G) pela sua extremidade inferior, que por sua vez dispõe de um tirante de reacção (F) (que regula o ângulo de avanço), unido a carroçaria (E), impede os movimentos transversais do conjunto. No braço inferior se articula a barra estabilizadora (K) por intermédio da biela (J). Página 10 de 23
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UFCD: Diagnóstico e Reparação em Sistemas de Direção e Suspensão Entre os extremos de ambos os braços situa-se a manga de eixo, articulada em duas rótulas na qual é fixo o cubo da roda. Estas rótulas são formadas por um perno com cabeça esférica (1), revestida de fibra de Teflon (2), que tem um coeficiente de fricção muito baixo. Esta característica permite-lhe um desgaste mínimo, é silenciosa e não necessita de lubrificação. O conjunto é encerrado no invólucro metálico (3) protegido pelo guarda pó (4). A ligação do perno à manga de eixo é feita através de uma porca. Sendo o conjunto da rótula unido ao braço por meio de parafusos. Cada um dos braços oscilantes é fixado ao chassis por meio de um cavilhão (1) com interposição dos casquilhos elásticos (silent bloks) que permitem os movimentos oscilantes do braço sem que se produzam fricções e desgastes. Os casquilhos são formados por um cilindro de borracha inserido entre dois casquilhos cilíndricos de aço, um exterior que é acoplado sobre pressão ao alojamento do braço, e outro interior através do qual passa o eixo de fixação. Uma variante do sistema de suspensão descrito, no qual a mola se situa entre o braço oscilante superior e a carroçaria, sendo o amortecedor colocado no interior da mola. O amortecedor (G) fixa-se ao braço superior por meio da articulação elástica (H), estando o seu extremo superior fixo à carroçaria no ponto (F) através de anéis de borracha. A mola de suspensão é também apoiada à carroçaria no seu extremo superior, enquanto que o outro extremo é apoiado no suporte (I), constituindo o corpo do amortecedor. Os braços oscilantes com inclinações adequadas nas ligações ao chassis, conseguese reduzir o “afundamento” da parte dianteira do veículo durante as travagens e o “levantamento” nas acelerações. Para se obter estes efeitos fazse a fixação do braço inferior ao chassis com uma certa inclinação para a frente. A rótula inferior avança quando a carroçaria “afunda” sob o efeito de uma travagem brusca. Ao mesmo tempo, sob a acção da travagem, o suporte da manga de eixo (A), à qual se une a pinça de travão (B), tende a ser arrastada pelo disco (C), puxando a rótula Página 11 de 23
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UFCD: Diagnóstico e Reparação em Sistemas de Direção e Suspensão inferior para trás, contrariando o efeito anterior. Os esforços compensam-se diminuindo de forma significativa o efeito de “afundamento” nas travagens bruscas. Em acelerações bruscas, o trem dianteiro sofre uma deslocação de peso para a traseira e a carroçaria “levanta“, arrastando com ela ambos os braços de suspensão, e a rótula inferior da ligação à manga de eixo que se desloca para trás. Este efeito é, no entanto, contrariado pela força sobre o ponto (A) que é exercida pela roda sobre o suporte da manga de eixo nas acelerações, o que limita o efeito de “levantamento“ da carroçaria. Desta maneira os movimentos ascendentes e descendentes da roda são absorvidos pela mola, cujas oscilações são atenuadas pelo amortecedor correspondente. Este sistema tem como principal vantagem a pequena variação do ângulo formado pelas rodas com o solo. Este tipo de suspensão exige uma grande resistência da carroçaria, por baixo dos guarda lamas dianteiros, local onde se apoia a mola e consequentemente onde se transmitem os esforços da suspensão.
Suspensão independente Mc Pherson É o mais utilizado actualmente para o eixo dianteiro. Apresenta algumas vantagens, tais como, a sua simplicidade de construção, peso e volume reduzido. Mas como todos os sistemas tem as suas desvantagens, nomeadamente, a sua fragilidade e os poucos pontos de fixação. É constituído por um braço inferior (1) que é articulado no extremo com o chassis (ponto A) e no outro extremo à manga de eixo (2) por intermédio de uma rótula. A parte superior da manga de eixo, em vez de se unir a outro braço como no sistema de braços articulados é unida ao corpo do amortecedor telescópico. Esta dispõe de um prato de suporte (4) onde se apoia a mola (5), que por sua vez é acoplada na sua extremidade superior ao prato (6), ligado ao chassis através da fixação superior do amortecedor. Esta ligação é feita com interposição do suporte elástico (7). A característica principal é o conjunto amortecedor e mola girarem com a orientação da roda, dada a sua ligação directa com a manga de eixo. É necessário dispor de um rolamento axial (3) no topo do amortecedor no acoplamento com a carroçaria. A mola (5) é acoplada no seu extremo inferior a um prato suporte formado pelo amortecedor (6), e recebe no seu o prato (4), provido na sua face exterior por uma superfície plana na qual fica acoplado o rolamento axial (3). É sobre este último que se monta a placa (2) que, por sua vez, é acoplada à carroçaria, fazendo-se a fixação por meio do suporte do amortecedor. Noutros casos, o rolamento axial monta-se directamente sobre o prato do amortecedor sobre o qual é colocado um outro prato.
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Suspensão por barra de torção As barras são posicionadas longitudinalmente em relação ao chassis, fixando-se a este no seu extremo posterior, enquanto que ao anterior se unem o eixo de articulação do braço oscilante inferior. A manga de eixo está unida no seu extremo superior ao braço oscilante (F) por meio da rótula (J) para que possa girar neste ponto, permitindo a orientação da roda que está montada no cubo (E). O braço oscilante (F) está unido à travessa (C) do chassis no eixo (H) por interposição da união plástica (G). A manga de eixo está unida ao braço inferior (G). A manga de eixo está unida ao braço inferior (K) na rótula (M). Por sua vez o braço (K) é fixo à travessa (A) do chassis pelo eixo (B), ancorado pelo estriado (L). A este eixo fica unida a barra de torção (D), que no outro extremo se fixa à travessa (P). Desta forma, quando a roda sobre, também sobe a manga de eixo que faz movimentar, desde o ponto (M), do braço (K). Este último, ao subir, faz girar o eixo (B), que por sua, vez faz torcer a barra de torção (D) que está unida ao eixo (B) e à travessa (P).Esta barra tem função de mola, visto que torce quando a roda encontra um obstáculo. Uma vez ultrapassado o obstáculo, a barra tem tendência a voltar à posição inicial fazendo girar o braço (B) em sentido contrário ao anterior, o que faz baixar de (M) o braço (K) e com ele a manga de eixo e a roda. As oscilações da barra de torção são travadas pelo amortecedor (N) unido na sua parte superior ao chassis, e no inferior ao braço (K).
Suspensões no eixo traseiro Ponde rígida: Nos veículos com motor dianteiro, é usual empregarem-se eixos rígidos nas rodas traseiras, dispondo geralmente nestes casos de molas de lâminas e/ou molas helicoidais. No centro das molas é colocado o eixo rígido, puxando a parte inferior do amortecedor telescópio. O movimento total da suspensão em sentido vertical, esta limitado por borracha montados na parte superior dos extremos do eixo traseiro. Braços articulados: Utilizam-se braços inferiores que servem de apoio às molas helicoidais e articulam o eixo traseiro à carroçaria. Os braços superiores resistem às forças a que o veículo fica sujeito, sendo o amortecimento feito pelas molas helicoidais. Assim, garante-se que as molas não sejam afectadas pelas forças de aceleração e de travagem.
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UFCD: Diagnóstico e Reparação em Sistemas de Direção e Suspensão Eixo rígido com barras de ancoragem: durante o funcionamento das suspensões traseiras de eixo rígido, não há variação nem de sopé, nem de trajectória; no entanto, sempre que a roda passe por um obstáculo, todo o eixo se inclina, modificando a inclinação das rodas, o que provoca o deslocamento lateral em relação ao eixo vertical do veículo. O eixo rígido pode ser fixo ao piso da viatura por meio de ancoragem de vários tipos, exemplo: Barra Panhard ou Quadrilátero de Watt. As barras de ancoragem são colocadas transversalmente e absorvem os esforços laterais.
Semi-rígido de braços articulados: permite a robustez do eixo traseiro mas melhorar a sua rentabilidade, tentando aproximá-la das suspensões dos eixos independentes. Os braços (1) e (2) formam um corpo com a travessa (3) e o conjunto é fixo à carroçaria nos pontos (4) e (5) com interposição de casquilhos elásticos de grande flexibilidade e tamanho. Na parte posterior de ambos os braços são acopladas as molas e os amortecedores telescópicos (6) que realizam a função da suspensão. A travessa (3) que une ambos os braços, trabalha por torção, tendo portanto uma função estabilizadora. A suspensão com braços oscilantes e barras de torção tem uma disposição de montagem que não é muito diferente. Neste exemplo as barras de torção ficam no prolongamento de uma outra colocada no interior do eixo traseiro, formado pelos tubos (D) e (C) acoplados um ao outro, e apoiados nas chumaceiras de fricção (A) e (B). Unidos aos braços de suspensão (E) e (F), e estes articulados nos suportes (H) e (G) por meio de casquilhos elásticos. Estes suportes estão fixos ao chassis e ligados às barras de torção (I) e (J). No interior, as barras de torção são fixas aos respectivos estribos por estrias. Os movimentos dos braços de suspensão são acompanhados pela rotação do tubo. Página 14 de 23
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UFCD: Diagnóstico e Reparação em Sistemas de Direção e Suspensão Quando o braço (F) funciona como basculante, gira o tubo (C), e na parte estriada faz girar a barra de torção (J), fixada na sua extremidade exterior ao suporte (H). Este movimento de torção exerce o efeito de mola, e o amortecedor impede as oscilações da barra de torção. Rodas independentes com braços oscilantes: eixos rígidos estão cada vez mais em desuso, particularmente quando o eixo motriz é o traseiro, empregando-se nestes casos as suspensões de rodas independentes. Neste último caso, não só se reduz o peso das massas não suspensas (que é muito elevado nos sistemas de eixo rígido) mas, dado que as rodas funcionam independentemente uma da outra, o facto de uma das rodas do eixo encontrar um obstáculo, não vão provocar o ressaltar de todo o eixo, fazendo perder a aderência com a estrada da outra roda. São muito utilizadas as suspensões de rodas independentes de braços articulados, podendo serem longitudinais, transversais. No caso dos eixos oblíquos, os braços traseiros em triângulo articulam a sua base no chassis, num eixo oblíquo em relação ao eixo traseiro. O seu extremo é articulado nos cubos das rodas. As molas helicoidais estão colocadas entre os triângulos e o chassis. Esta disposição da suspensão permite a oscilação das rodas, mantendo-se o alinhamento. Eixo ou ponte de Dion: Neste tipo reduzi-se ao mínimo o peso das massas não suspensas, conferindo-lhe a simplicidade de um eixo rígido. Com efeito, o grupo diferencial que incorpora também os travões, é fixo à carroçaria. Um exemplo desta suspensão é a do eixo constituído por uma simples travessa de secção tubular ligada à carroçaria por pontes, para poder reagir às cargas longitudinais e por um sistema de hastes rígidas para as cargas transversais.
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Suspensão Multilink Utilizada em suspensões traseiras e dianteiras e em veículos de tracção as quatro rodas, sua designação deve-se ao facto desta suspensão estar apoiada em vários pontos de fixação. Dependendo da sua fixação permite controlar as alterações de convergência das rodas traseiras. A regulação da convergência é feita através de parafusos excêntricos que fixam os braços transversais à travessa, da seguinte forma: alivia-se a porca do parafuso excêntrico; roda-se o parafuso, que faz com que o braço transversal mova para dentro ou para fora. Este movimento do braço faz com que a 1 – Travessa 2 – Parafusos excêntricos 3 – Braço lateral traseiro 5 – Porca manga de eixo rode ligeiramente, alterando a 4 – Guias excêntricas 6 – Anilha excêntrica convergência. A suspensão Multilink é constituída por um ou mais braços superiores e, pelo menos, dois braços inferiores com comprimentos diferentes, um amortecedor, uma mola concêntrica e um braço que segura o conjunto à carroçaria através de um suporte e uma rótula de ligação dos braços superiores e inferiores. O desenho desta suspensão é muito importante, dado que a disposição dos braços oscilantes irá influenciar de forma significativa os movimentos da carroçaria nas acelerações e travagens, que traduz-se num maior conforto dos passageiros. Suspensão Compound: as molas helicoidais são instaladas horizontalmente duas a duas em cilindros (também designados por panelas de suspensão), ligando assim as rodas da frente e de trás do mesmo lado. Cada cilindro é móvel no sentido longitudinal provocando cada um dos braços a compressão da sua própria mola. Contudo, como as duas molas geminadas se apoiam uma sobre a outra por meio da panela de suspensão, o impulso de uma das compressões é neutralizado pelo impulso da outra. Isto permite manter a igualdade das cargas sobre as rodas dianteira e traseira do mesmo lado. Se uma das rodas sofrer um deslocamento vertical na passagem por uma irregularidade do terreno, o seu movimento será transmitido à roda “geminada” cuja reacção irá evitar o aparecimento de oscilações.
1 - Chassis 2 - Panela de suspensão 3 - Batentes elásticos 4 Suportes fixos 5 - Barras de tracção 6 - Braço de suspensão 7 Cubos de roda
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Suspensão Pneumática Suspensão progressiva, que permite a regulação do nível, assegurando uma distância mínima em relação ao solo, sistema de construção dispendiosa. Encontra-se em veículos pesados de mercadorias, autocarros, reboques e em alguns automóveis de passageiros. O amortecimento é feito pela compressão e descompressão do ar bombeado para os foles. Esta “mola gasosa” torna-se progressivamente mais rígida à medida que aumenta a carga que sobre ela actua. Para cada roda, o peso do veículo repousa sobre um colchão de ar, fixo ao braço da suspensão, geralmente um eixo rígido. Esta câmara é circular e tem paredes em borracha sintética armada, em forma de fole, fechada nas duas extremidades por placas rígidas, sendo uma delas solidária ao chassis e a outra ao eixo. Do lado do chassis, a câmara está ligada a um circuito de ar comprimido alimentado por um compressor. A câmara faz comunicação com um reservatório auxiliar que forma um vaso de expansão. Do volume deste reservatório depende a amplitude de oscilação. Uma válvula de suspensão dupla, permite a admissão do ar comprimido ou o seu escape para a atmosfera e ligada ao eixo por um sistema de alavancas. Quando a suspensão cede sob uma forte carga, desloca as alavancas, abre a válvula de admissão e o ar comprimido do reservatório principal entra no reservatório auxiliar, elevando o veículo à altura normal. A altura ideal é atingida, e as alavancas fecham a válvula. Quando o veículo é descarregado, a suspensão levanta o chassis e as alavancas, no sentido inverso, provocam a abertura do escape. As válvulas são 1 -Cilindro de compressão. accionadas mecânica ou electronicamente. São montadas uma ou 2 -Pistão operador. duas válvulas por eixo, mas um máximo de três por veículo. 3 -Membrana elástica de Assegura que o veículo, em condições desfavoráveis, não é vedação. suportado apenas por dois foles diagonalmente opostos. O 4 -Haste do pistão. fornecimento de ar comprimido ao sistema é assegurado pelos seguintes componentes: Compressor; Filtro; Unidade de desumidificação; Regulador de pressão; Reservatório de ar; Válvula redutora da pressão; Válvula de segurança. O ar passa do reservatório de ar do sistema de travões para o reservatório de ar da suspensão pneumática através da válvula de segurança, da válvula redutora de pressão e da válvula de retenção. Quando há perda de pressão é cortada a ligação ao reservatório de ar da suspensão, de forma a que o compressor funcione apenas para o sistema de travões. A unidade de controlo das válvulas distribui o ar comprimido pelas válvulas da suspensão pneumática. A unidade de controlo das válvulas tem uma alavanca de accionamento, com a qual se podem executar quatro regulações: posição de marcha, levantamento, abaixamento e paragem. Assim, a carroçaria de veículo pode ser elevada ou baixada. Ao mesmo tempo, a unidade de controlo das válvulas impede que a pressão nos foles desça abaixo da pressão mínima, o que danificaria os foles. A válvula reguladora de nível é controlada pela suspensão por meio de tirantes de ligação.
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Suspensões hidropneumáticas Suspensão progressiva, com regulação do nível, podendo variar a distância mínima em relação ao solo.É necessário o fornecimento de óleo pressurizado, e tem como inconveniente a impossibilidade de reabastecimento do gás. Os elementos “molejantes” são constituídos por reservatórios metálicos esféricos e no interior superior o gás sob pressão (geralmente azoto), separado do líquido na parte inferior por uma membrana. Em cada uma das rodas é montado um braço oscilante (1) que se une ao pistão (2), que se movimenta no interior do cilindro (3). O cilindro termina na esfera metálica, dividida pela membrana (4). A esfera e o cilindro estão separados ou por uma parede onde foram feitos furos calibrados, ou por válvulas. Quando a roda sobe, o pistão sobe empurrando o líquido do interior do cilindro e obrigando-o a passar através das válvulas para a câmara inferior da esfera. A pressão que o óleo exerce sobre a membrana aumenta, comprimindo o 1 - Panela de suspensão com gás encerrado na parte superior da câmara. Quando a membrana e cilindro inferior roda baixa, o pistão desce cessando a pressão do líquido 2 -Braço de suspensão articulado no chassis sobre a membrana que, por acção do gás encerrado na 3 -Braço de comando do corrector parte superior, volta à sua posição de repouso passando 4 -Corrector através das válvulas e enchendo o cilindro. Desta maneira, 5 -Válvula móvel do corrector o gás encerrado na parte superior da membrana actua 6 -Canal de retorno como elemento de suspensão, dado que se opõe à subida 7 -Canal de alimentação por pressão do pistão. As válvulas actuam como amortecedor, devido à dificuldade de passagem do líquido em ambos os sentidos. A altura da carroçaria pode ser corrigida através de um regulador que provoca a entrada ou a saída de parte do líquido do interior do cilindro. O regulador põe em comunicação o cilindro com o acumulador que armazena o líquido a determinada pressão controlada por uma bomba, e cujo limite é controlado por uma válvula de descarga. O veículo em altura normal a válvula obstrui os dois canais 6 e 7. Veículo carregado e rebaixado, a válvula abre a alimentação 7 e o óleo penetrando sob a membrana recoloca o veículo na posição normal. Veículo descarregado e levantado, a válvula abre o canal de retorno e o óleo escorre da panela de suspensão até ao retorno do veículo à sua posição normal. Os grupos hidropneumáticos junto das rodas são ligados mecânica ou hidraulicamente, para accionar uma das rodas, quando a outra está sujeita a forte desnivelamento.
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UFCD: Diagnóstico e Reparação em Sistemas de Direção e Suspensão Suspensão "Hidrolastic" ou Hidragás: este sistema, tem por função evitar a oscilação da carroçaria que acontece, por exemplo, quando a suspensão dianteira é comprimida e a traseira distendida simultaneamente, o elemento que serve de mola é um bloco de borracha elástica que funciona por compressão. O braço da suspensão actua sobre este bloco de borracha por meio de um pistão e uma câmara de óleo. Este conjunto é designado por unidade hidragás. As unidades hidragás estão ligadas à frente e atrás em cada lado do veículo por meio de tubos com fluido pressurizado. A oscilação vertical da roda dianteira força a saída do fluido da unidade hidragás traseira. Esta acção faz subir a traseira do veículo, mantendo o veículo paralelo ao solo no sentido longitudinal. O sistema hidragás também restringe a inclinação lateral da carroçaria nas curvas, através do endurecimento das duas unidades exteriores quando em carga. Em cada bloco de suspensão existe uma válvula de duplo efeito a partir da qual se obtém o amortecimento, pois restringe o volume de líquido em cada unidade.
1 – Braço de suspensão; 2 -Pistão cónico ligado à membrana; 3 – Membrana; 4 -Campânula metálica fixa com válvula central de duplo efeito; 5 - Corpo de suspensão solidário ao chassis; 6 -Bloco elástico formando mola; 7 -Canalização 8 - Válvula de enchimento e de colocação sob tensão dos dois blocos de suspensão (altura de equilíbrio do veículo) ; 9-Volumes com líquido e gás pressurizado
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Suspensões geridas electronicamente Suspensão inteligente: à suspensão hidroactiva adiciona-se um sistema “antibalanço” que consiste em adicionar uns cilindros ao elemento de suspensão de cada roda. Estes, por sua vez, são activados por uma esfera adicional comandada por um corrector de posição montado sobre a barra estabilizadora dianteira. É enviado líquido sob pressão aos cilindros, que aumentam a rigidez da roda correspondente, mantendo a carroçaria plana. A activação é feita a partir da unidade electrónica que por sua vez interpreta os sinais recebidos dos sensores de velocidade e de rotação do volante. O corrector de posição, conforme a posição da barra estabilizadora, determina a forma de actuação dos cilindros. Este sistema “antibalanço”combinado com a suspensão hidroactiva, proporciona a taxa de amortecimento adequada, bem como a flexibilidade requerida a um comportamento adequado do veículo para cada condição de condução. Outro tipo de suspensão inteligente consiste na aplicação de amortecedores controlados electronicamente. Estes amortecedores, de aspecto convencional, estão providos de válvulas solenóides que fazem a regulação do amortecimento em função de diversos dados (tal como a hidroactiva), recebidos através de uma unidade de controlo electrónico. Dentro dos tubos dos amortecedores existem canais de derivação do óleo que podem ser abertos ou fechados pelas válvulas de solenóide. Desta forma, os amortecedores podem alterar as características de amortecimento em milésimos de segundo. Quando a válvula é actuada, o óleo dentro do amortecedor é desviado por um canal de derivação. O amortecimento torna-se “macio”” (posição de conforto). Com a válvula fechada, o amortecedor torna-se mais “duro” (posição desportiva, mais firme). Suspensão hidroactiva: os amortecedores não controlam totalmente o efeito de “balanço” nem a distribuição de pesos durante as viragens. Estes factores são no entanto determinantes quando se requer maior aderência e melhor comportamento do veículo em manobras de emergência ou em condução mais desportiva. O controlo adaptado às condições de movimento do veículo e ao tipo de condução, que verifica a inclinação da carroçaria à medida que surgem obstáculos, que se muda de velocidade, ou que se acciona a direcção ou os travões, é conseguido a partir de suspensões hidropneumáticas controladas por computador. Este sistema permite também nivelar um ou mais eixos quando se carrega o veículo, reduzir a altura da carroçaria para circulação a alta velocidade ou aumentá-la quando se circula a baixa velocidade em pisos em mau estado. A suspensão hidroactiva baseia-se na suspensão hidropneumática convencional, à qual foram adicionados novos elementos hidráulicos controlados electronicamente. São colocadas esferas adicionais providas de um regulador de rigidez e uma electroválvula, comandada electronicamente pela unidade. As esferas adicionais determinam a dureza da suspensão em função das condições de circulação do veículo. A unidade electrónica de comando recebe sinais do sensor de rotação do volante, do pedal do acelerador e do travão, bem como da velocidade do veículo e o deslocamento da carroçaria. Em função dos sinais recebidos, envia ordens à electroválvula que actua sobre o regulador de rigidez para variar as condições de suspensão. Em função das informações recebidas na unidade Página 20 de 23
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UFCD: Diagnóstico e Reparação em Sistemas de Direção e Suspensão electrónica de comando são enviados sinais ao regulador de rigidez, o qual determina as posições de suspensão firme ou elástica. O regulador de rigidez põe em comunicação as unidades elásticas de cada roda com a esfera adicional através dos pesos calibrados que são no fundo amortecedores adicionais. Desta forma, o líquido comprimido em qualquer dos cilindros pelo movimento da roda correspondente, é destinado para a esfera adicional, através do calibre. Suspensão activa (sistema de controlo activo do adornamento): concebido para permitir curvar sem adornar, optimizar a segurança e daí também a agradabilidade de condução. Os componentes responsáveis pela estabilidade do veículo em curva, são: veios hidráulicos; barras estabilizadoras; calculador; corrector; electroválvula. Os veios hidráulicos quando solicitados, ou seja, quando o calculador recebe informação que trata-se de uma curva pronunciada, permite inclinarem a carroçaria em relação à estrada para equilibrar o veículo. O veio hidráulico faz a ligação entre a barra estabilizadora e o elemento de suspensão da frente esquerdo. Esta ligação, anteriormente era feita por um tirante de comprimento fixo, sendo agora substituído por um elemento de comprimento variável. No início da curva a rigidez do adornamento é aumentada ao seu valor máximo pelo isolamento do circuito da esfera do regulador de rigidez. O calculador é informado do início a curva através dos sinais transmitidos pelo sensor no volante e pelo sensor de velocidade do veículo, e envia um sinal eléctrico à electroválvula e a esfera do regulador fica assim isolada. Nesta situação, os veios hidráulicos estão completamente isolados, e comportam-se como tirantes rígidos, sendo as barras estabilizadoras os componentes que opõem-se ao adornamento. Na curva pronunciada o adornamento do veículo é contrariado pela ligação à fonte de pressão ou descarga de pressão dos veios hidráulicos, nomeadamente se a curva é a esquerda ou a direita. Se a curva se mantém e a inclinação da carroçaria ultrapassa 0º30’ aproximadamente, os veios hidráulicos entram em acção para restabelecer o equilíbrio do veículo. Um conjunto constituído por tirantes e molas mede a diferença da posição angular dos braços de suspensão da frente. Suspensão pneumática: a unidade de controlo electrónico mantém a suspensão à altura seleccionada, regulando o volume de ar em cada mola pneumática. Para garantir o funcionamento seguro do sistema, a UEC incorpora vastas características de auto diagnóstico e segurança. A UEC tem de ser substituída, caso avarie. O compressor de ar fornece a pressão do sistema. O sistema incorpora um interruptor térmico, que desliga o compressor a uma temperatura de 120ºC. Existe um filtro de ar na cabeça do compressor que tem que ser substituído (cada 40.000 Km). O desumidificador do ar está ligado ao tubo de ar entre o compressor e o reservatório. Está montado na caixa do filtro de ar do motor. Todo o ar evacuado do sistema também passa, em sentido contrário, através do desumidificador. O desumidificador do ar não é reparável, se qualquer quantidade de água for detectada no sistema, o desumidificador terá de ser substituído. O caudal de ar de e para as molas pneumáticas é controlado por sete válvulas electromagnéticas, uma para cada mola, mais uma de entrada, uma de escape e outra de saída. Em resposta aos sinais transmitidos pela UEC, as válvulas permitem que ar a alta pressão entre ou saia das Página 21 de 23
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UFCD: Diagnóstico e Reparação em Sistemas de Direção e Suspensão válvulas pneumáticas, conforme seja necessário aumentar ou reduzir a pressão. Uma válvula de diafragma, comandada pela válvula de solenóide de saída, assegura que todo o ar extraído passa de novo através do desumidificador. Um interruptor de pressão, montado no bloco de válvulas, detecta a pressão do ar e envia um sinal à UEC, para que esta active o compressor quando necessário. O compressor actuará quando a pressão cair para entre 7,2 e 8,0 bar. Pára de actuar a uma pressão ascendente entre 9,5 e 10,5 bar. Uma união actua como entrada e saída do ar para o resto do sistema. O reservatório retém o ar comprimido a níveis de pressão pré-estabelecidos. O bujão de drenagem do reservatório tem que ser retirado, para se inspeccionar o sistema quando há indícios de humidade. Quatro sensores de altura, do tipo potenciómetro, indicam à UEC a altura do veículo. Os potenciómetros estão instalados no chassis e são activados por tirantes ligados aos esticadores dianteiros e traseiros. Se um sensor de altura avariar, terá de ser substituído e o veículo recalibrado. O ar é forçado através do filtro de entrada para o compressor, onde é comprimido a 10 bar. O ar comprimido passa para o desumidificador seguindo através de uma válvula unidireccional até ao reservatório. 3 Válvulas unidirecionais asseguram o caudal de ar correcto e impedem perda de pressão das molas, caso ocorra uma perda total de pressão no reservatório. O interruptor de pressão mantém a pressão do sistema entre limites pré determinados, ligando e desligando o compressor por meio de um relé controlado pela UEC. Para o ar ser admitido numa mola pneumática, a válvula de entrada tem que ser activada em conjunto com a válvula de solenóide da mola pneumática relevante. Para o ar ser extraído da mola pneumática, uma válvula de escape tem que estar activada juntamente com a válvula de solenóide da mola pneumática relevante. A válvula de diafragma electromagnética assegura que todo o ar evacuado para a atmosfera passa primeiro pelo desumidificador. O ar evacuado passa verticalmente, de cima para baixo, através do desumidificador. Esta acção purga a humidade retida no produto desumidificador e, portanto, regenera este. O ar é finalmente expelido através da válvula de diafragma actuada pelo ar do sistema e sai para a atmosfera através de um silenciador montado por baixo do bloco de válvulas.
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Conclusão Os sistemas de direcção e suspensão englobam um conjunto de orgãos que controlam os movimentos e oscilações do veículo e seu comportamento em estrada. Sendo necessário conhecer todos os seus componentes que podem variar conforme o modelo construído pelo fabricante e que dão resposta consoante determinado tipo de circunstâncias. Vários tipos de direcção foram conceptualizados de forma a corresponder a uma melhor eficiência e vários tipos orgãos de suspensão adaptados para cada situação com a forma mais eficiente de actuar em relação às características particulares dessas mesmas situações. Também é necessário conhecer todas as concepções e suas geometrias requeridas, com todos os elementos necessários para sua verificação e reparação no caso de se ter que proceder a uma intervenção. Saber qual o funcionamento de cada sistema, para que numa situação de avaria se detectar a origem e localização do problema, para o corrigir.
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