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Influence of Air Spring Pressure on Ride Comfort and Dynamic Response of an Electric Vehicle under Random Road Excitation

Este estudo investiga como as variações nas pressões das molas pneumáticas afetam o conforto de condução e a resposta dinâmica de veículos elétricos sob excitação de estrada aleatória, revelando que pressões mais altas aumentam a rigidez da suspensão e as cargas das rodas enquanto reduzem o conforto, identificando, assim, faixas de pressão ideais para equilibrar esses fatores concorrentes através de diferentes classes de estradas e velocidades.

Autores originais: Nguyen Thanh Tung, Luong Van, Khau Tan Phat, Nguyen Thanh Danh, Phan Chuong Anh Khoi

Publicado 2026-10-05

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CC BY 4.0

Autores originais: Nguyen Thanh Tung, Luong Van, Khau Tan Phat, Nguyen Thanh Danh, Phan Chuong Anh Khoi

Artigo original sob licença CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelos autores. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo

Todo veículo que viaja em uma estrada deve negociar uma batalha constante entre duas necessidades concorrentes. A primeira é a necessidade de isolar os passageiros da textura áspera e irregular do pavimento, mantendo a condução suave e confortável. A segunda é a necessidade de manter os pneus firmemente pressionados contra o solo, garantindo que o veículo possa fazer curvas, frear e acelerar com segurança. Se um sistema de suspensão for muito macio, o carro pode parecer um barco em uma onda, isolando o motorista da estrada, mas correndo o risco de perda de controle quando os pneus saltam. Se o sistema for muito rígido, os pneus permanecem plantados, mas cada irregularidade é transmitida diretamente aos passageiros, transformando o dirigir em uma experiência sacudida. Para veículos elétricos, esse equilíbrio é ainda mais delicado porque os pesados pacotes de baterias e as configurações únicas de motores mudam a forma como o carro pesa e se move, tornando as configurações tradicionais de suspensão menos eficazes.

Em um estudo recente, pesquisadores buscaram encontrar o equilíbrio preciso para veículos elétricos equipados com molas pneumáticas. Diferente das molas de aço tradicionais, que possuem uma rigidez fixa, as molas pneumáticas usam gás comprimido para suportar o peso do veículo. Ao alterar a pressão desse gás, os engenheiros podem alterar o quão rígida ou macia a suspensão parece ser. A equipe da Universidade de Tecnologia de Vinh Long, no Vietnã, investigou como diferentes níveis de pressão de ar afetam um veículo dirigindo sobre estradas de qualidades variadas, de rodovias suaves a trilhas extremamente irregulares. Eles simularam o veículo viajando em velocidades entre 30 e 60 quilômetros por hora em quatro tipos distintos de superfícies de estrada, variando de boas a extremamente precárias. O objetivo era determinar as configurações de pressão ideais que manteriam a condução confortável sem sacrificar a segurança do contato do pneu com a estrada.

Os pesquisadores construíram um modelo digital detalhado de um veículo elétrico, tratando-o como um sistema complexo com sete partes móveis para capturar como a carroceria e as rodas reagem aos solavancos. Eles submeteram este carro virtual a vibrações aleatórias que mimetizam as condições reais de condução, testando quatro níveis específicos de pressão de ar: 400.000, 600.000, 800.000 e 1.000.000 de Pascal. À medida que aumentavam a pressão, o ar dentro das molas tornava-se mais difícil de comprimir, tornando efetivamente a suspensão mais rígida. Os resultados foram claros e consistentes em todos os tipos de estrada: a pressão mais alta levava a uma condução mais áspera. Quando a pressão estava em seu nível mais baixo, o veículo absorvia bem os solavancos, mas conforme a pressão subia para o seu máximo, a carroceria do veículo começava a sacudir mais violentamente. Nas estradas mais suaves testadas, aumentar a pressão do ajuste mais baixo para o mais alto fez com que a vibração média sentida pelos passageiros saltasse quase 41 por cento.

Esse aumento de rigidez também teve um impacto direto na interação dos pneus com a estrada. Embora uma suspensão mais rígida pudesse parecer que manteria os pneus plantados, as simulações mostraram o efeito oposto em terrenos irregulares. Conforme a pressão aumentava, os pneus tinham maior probabilidade de saltar e perder o contato com o solo, especialmente em velocidades mais altas. Os pesquisadores mediram isso usando um fator que indica o quanto o peso sobre o pneu flutua. Nas estradas mais irregulares, quando o veículo viajava rápido com alta pressão de ar, os pneus chegavam perigosamente perto de se levantar totalmente da superfície. Essa perda de contato é crítica porque um pneu que não está tocando a estrada não consegue fazer curvas ou frear de forma eficaz. O estudo descobriu que, nas superfícies mais irregulares, as configurações de pressão mais altas reduziam significativamente a aderência dos pneus, criando um cenário onde o veículo poderia tornar-se instável.

A qualidade da superfície da estrada desempenhou um papel enorme no desempenho dessas configurações de pressão. Em estradas suaves e de alta qualidade, o veículo podia tolerar uma gama mais ampla de pressões, com configurações entre 400.000 e 800.000 Pascal oferecendo um compromisso razoável entre conforto e segurança. No entanto, conforme a superfície da estrada se tornava mais irregular, a margem de erro diminuía. Em estradas de qualidade média, os pesquisadores recomendaram baixar a pressão para entre 400.000 e 600.000 Pascal para manter a segurança. Nas estradas muito ruins e extremamente irregulares, as simulações sugeriram que a configuração de pressão mais baixa era a única maneira de manter a condução tolerável e os pneus em contato com o solo. Nessas condições severas, dirigir em altas velocidades combinado com alta pressão de ar criava uma tempestade perfeita de desconforto e perigo, com a carroceria do veículo sacudindo violentamente e os pneus lutando para manter a aderência.

O estudo também destacou que a relação entre velocidade e pressão não é linear. Dirigir mais rápido em uma estrada irregular com uma suspensão rígida amplifica os efeitos negativos, fazendo com que o veículo salte mais e os pneus percam o contato com mais frequência. Os pesquisadores observaram que, embora suas descobertas forneçam um guia claro para essas condições específicas, elas são baseadas em simulações de computador e não em testes físicos de estrada. O modelo não levou em conta todas as variáveis possíveis, como mudanças na carga de carga do veículo ou a complexa dinâmica de calor dentro das molas pneumáticas. No entanto, os resultados oferecem um roteiro prático para engenheiros e motoristas. Eles sugerem que, para que os veículos elétricos permaneçam confortáveis e seguros, a pressão do ar na suspensão não deve ser definida em um único valor fixo. Em vez disso, ela deve ser ajustada dinamicamente, diminuindo a pressão conforme a estrada fica mais irregular ou o veículo acelera, garantindo que o carro permaneça uma plataforma estável para seus passageiros enquanto mantém seus "pés" firmemente no chão.

Resumo Técnico: Influência da Pressão da Mola Pneumática no Conforto de Marcha e na Resposta Dinâmica de um Veículo Elétrico sob Excitação Aleatória da Estrada

Definição do Problema
O estudo aborda o desafio crítico de otimizar o conforto de marcha e a segurança dinâmica em veículos elétricos (VEs) equipados com sistemas de suspensão pneumática (ar). Diferente das molas de aço convencionais com rigidez fixa, as suspensões a ar oferecem rigidez ajustável por meio da pressão interna do gás. No entanto, a influência específica da pressão da mola a ar na dinâmica dos VEs — particularmente dada a distribuição de massa única causada pelos pesados pacotes de baterias e pelo potencial aumento da massa não suspensa devido a motores montados nas rodas — permanece subexplorada sob excitação aleatória da estrada. A pesquisa visa determinar como as variações nas pressões da mola a ar afetam a aceleração da carroceria do veículo (conforto de marcha) e as cargas dinâmicas das rodas (capacidade de contato pneu-estrada) através de diferentes classes de rugosidade de estrada (ISO 8608:2016 B, C, D e E) e velocidades de veículo (30–60 km/h).

Metodologia
Os autores desenvolveram um modelo dinâmico de sete graus de liberdade (7-DOF) de um veículo elétrico. O modelo inclui:

Massa Suspensa: Três graus de liberdade representando translação vertical ( $Z$ ), rolagem ( $\phi$ ) e arfagem ( $\beta$ ).
Massas Não Suspensas: Quatro graus de liberdade representando o movimento vertical das massas dos eixos dianteiro-esquerdo, dianteiro-direito e traseiro, além do movimento de rolagem do eixo traseiro.

O sistema de suspensão pneumática foi modelado utilizando coeficientes de rigidez e amortecimento equivalentes derivados do volume de ar, câmaras auxiliares e características de fluxo de tubulação. O veículo foi submetido a excitações aleatórias de estrada geradas de acordo com os padrões ISO 8608:2016 para classes de estrada B (boa) a E (extremamente ruim).

As simulações foram conduzidas para avaliar dois principais indicadores de desempenho:

Aceleração RMS da Carroceria do Veículo ( $\ddot{Z}_{RMS}$ ): Utilizada como o principal indicador para o conforto de marcha.
Coeficiente de Carga Dinâmica ( $k_d$ ): Calculado como a razão entre a carga dinâmica da roda e a carga estática da roda. $k_{dmax}$ indica o pico de carga dinâmica, enquanto $k_{dmin}$ avalia o risco de separação pneu-estrada (perda de contato).

O estudo variou as pressões internas da mola a ar de $4 \times 10^5$ Pa a $10 \times 10^5$ Pa e as velocidades do veículo de 30 km/h a 60 km/h.

Principais Resultados
Os resultados das simulações revelaram tendências consistentes em todas as classes de estrada:

Efeito da Pressão na Rigidez e no Conforto: O aumento da pressão da mola a ar aumenta a rigidez equivalente do sistema de suspensão. Consequentemente, pressões mais altas levam a uma aceleração significativamente maior da carroceria do veículo (RMS), reduzindo o conforto de marcha. Por exemplo, em estradas Classe B a 60 km/h, o aumento da pressão de $4 \times 10^5$ Pa para $10 \times 10^5$ Pa elevou a aceleração da carroceria em aproximadamente 41% (de 0,144 m/s² para 0,203 m/s²).
Efeito da Pressão nas Cargas Dinâmicas: Uma maior pressão da mola a ar aumenta o coeficiente de carga dinâmica máxima ( $k_{dmax}$ ) e diminui o coeficiente mínimo ( $k_{dmin}$ ). Isso indica que suspensões mais rígidas transmitem mais forças induzidas pela estrada para a carroceria do veículo e reduzem a capacidade do pneu de manter o contato contínuo com a superfície da estrada.
Impacto da Rugosidade da Estrada e Velocidade: Os efeitos adversos da alta pressão são amplificados pela rugosidade da estrada e pela velocidade do veículo.
- Classe B (Boa): Faixa de pressão ideal identificada entre $4 \times 10^5$ a $8 \times 10^5$ Pa.
- Classe C (Média): O desempenho deteriora-se; uma faixa inferior de $4 \times 10^5$ a $6 \times 10^5$ Pa é recomendada para manter a segurança.
- Classe D (Ruim) & E (Extremamente Ruim): O desempenho dinâmico degrada-se significativamente. Em estradas Classe E a 60 km/h e $10 \times 10^5$ Pa, a aceleração da carroceria atingiu 0,930 m/s², e $k_{dmin}$ caiu para 0,105, indicando um risco severo de separação do pneu. Para estas condições, pressões mais baixas ( $4 \times 10^5$ Pa) e velocidades reduzidas são necessárias.
Uniformidade de Eixo: O estudo encontrou diferenças negligenciáveis entre as respostas dos eixos dianteiro e traseiro, sugerindo que a distribuição de carga e as características de suspensão do modelo eram uniformes entre os eixos.

Significância e Alegações
O artigo afirma fornecer orientação prática para a seleção de pressões de mola a ar em veículos elétricos com suspensão a ar operando sob excitação aleatória de estrada. Os autores enfatizam que a pressão deve ser tratada como uma variável de projeto ótima, e não apenas como um parâmetro operacional. O estudo identifica faixas de pressão específicas que oferecem um compromisso entre o conforto de marcha e a capacidade de contato pneu-estrada para diferentes condições de estrada:

Classe B: $4 \times 10^5$ – $8 \times 10^5$ Pa.
Classe C & D: $4 \times 10^5$ – $6 \times 10^5$ Pa.
Classe E: Pressões mais baixas são preferíveis, particularmente em velocidades mais altas.

Limitações
Os autores reconhecem explicitamente as limitações de seus achados:

Validação do Modelo: Os resultados baseiam-se em um modelo numérico 7-DOF e ainda não foram validados por meio de testes de estrada em escala real ou medições experimentais.
Simplificação do Modelo: A mola a ar é representada por um modelo de rigidez equivalente. Efeitos não lineares complexos, como transferência de calor termodinâmica, histerese, perdas de estrangulamento e amortecimento dependente da pressão, não foram explicitamente incluídos.
Configuração Fixa: A análise assume uma configuração de veículo fixa e não investiga os efeitos das variações de carga útil, que poderiam influenciar as configurações de pressão ideais.
Critérios de Avaliação: O estudo baseia-se exclusivamente na aceleração RMS da carroceria e no coeficiente de carga dinâmica, excluindo outros potenciais indicadores de conforto de marcha ou dirigibilidade.

O artigo conclui que, embora as faixas de pressão identificadas forneçam um compromisso razoável para o modelo de veículo específico e as condições estudadas, elas não devem ser consideradas valores ótimos universais sem validação experimental adicional e consideração da dinâmica não linear.

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