SUSPENSIONES VEHÍCULOS (PARTE I)

MECÁNICA DEL AUTOMÓVIL (PARTE II)

Hola a todos de nuevo:

            En este segundo artículo que expongo, nos introduciremos en que es un sistema de suspensión del automóvil y ya en próximos artículos explicaré los tipos y como se dieña en competición la suspensión.

·         Sistema de suspensión para automóviles:

Lo primero que hay que preguntarse es, como siempre, qué es o en qué consiste. Bien, llamamos sistema de suspensión de un vehículo automóvil al conjunto de elementos que cumplen con las siguientes funciones básicas:

-          Proteger a pasajeros y equipaje de las sacudidas.

-          Transmitir a la carrocería las fuerzas de marcha y frenada.

-          Soportar la carrocería sobre los ejes.

-          Absorber y amortiguar las oscilaciones, sacudidas y vibraciones que se reciben de las irregularidades.

Uno de los cometidos más importantes de toda suspensión de un automóvil consiste en absorber, en la medida de lo posible, las irregularidades del firme para que se transmitan de forma mitigada al chasis, ya que si son mercancías lo que transportamos, evitaremos daños en las mismas. Si lo que transportamos son personas, evitaremos la fatiga por el viaje y así poder realizar trayectos más largos sin riesgo. Y en el caso del conductor, si evitamos la fatiga de éste, supondrá un aumento de la seguridad en el trayecto, como es lógico.

Otro cometido, no menos importante que el anterior, será el mantener en todo momento las ruedas en contacto con el piso o firme, ya que el control y la estabilidad del mismo dependen en gran medida de que esto sea así.

Los elementos básicos que forman un sistema de suspensión son los siguientes:

-          Elemento elástico capaz de absorber las irregularidades para mitigarlas.

-          Elemento amortiguador para reducir las oscilaciones del elemento elástico.

En primer lugar he situado el elemento elástico porque es el que, creo, hay que considerar el principal, aunque esto no quiere decir que el amortiguador no sea importante, que lo es.

Como se ha escrito antes, el elemento elástico está encargado de absorber, en la medida de lo posible, los impactos e irregularidades del terreno transmitidos por las ruedas al chasis del vehículo, para lograr un mayor confort de marcha y un mayor control del automóvil, sin este elemento, las vibraciones serían de tal calibre que el automóvil se volvería totalmente inconducible, con el consiguiente perjuicio para la seguridad de los ocupantes. Vamos a explicar a continuación algunos conceptos que hay que tener en cuenta en diseño de suspensiones:

-          Movimientos de la carrocería:

En mecánica de automóviles tratamos siempre la dinámica del movimiento de vehículos equipados con neumáticos sobre una superficie prepara al efecto.

Los movimientos de interés son la aceleración, frenado, cambio de dirección y vuelco. El comportamiento dinámico lo determinarán las fuerzas aplicadas por las ruedas sobre el chasis, el centro de gravedad y el arrastre aerodinámico.

En el espacio, 3 son los ejes perpendiculares que nos determinan la dirección del movimiento, estos son eje x, eje y, eje z:

Ahora un ejercicio de imaginación, el eje x va a ser el que indique la dirección de la carretera (nuestro cubo es el coche), la parte positiva (el avance) estará situado a la derecha de la imagen. La parte positiva del eje y también a la derecha del cubo, y la del eje z arriba del cubo. Ahora paso a enumerar los diferentes movimientos de un vehículo, letra correspondiente y una breve explicación:

 Cabeceo (q) o “pitch”: Dícese del movimiento de rotación del vehículo en torno al eje transversal del mismo (eje y). Esto se produce en aceleración y frenada, levantándose el frontal del vehículo y rebajándose la trasera, o viceversa.

 Balanceo (p) o “swing”: Movimiento de rotación en torno al eje longitudinal del vehículo (eje x). Típico al trazar una curva.

Guiñada (r) o “yaw”: Movimiento de rotación en torno al eje vertical del vehículo (eje z). Situación típica en derrapajes producidos por aceleraciones o frenadas bruscas. 

Bailoteo (w) o “wag”: Movimiento de toda la caja del vehículo paralelo al terreno, es decir, oscilaciones rectilíneas en el sentido del eje z. Se puede producir en carreteras levemente onduladas.

Bandazos (v) o “shake”: Movimiento oscilatorio rectilíneo en el sentido del eje y. Se producen debido al viento lateral.

Vaivenes (u) o “ups and downs”: Movimiento oscilatorio rectilíneo en el sentido del eje x. Principalmente se producen por fallos del motor o de los frenos.

 

-          Geometría de la suspensión:

A continuación, las características geométricas de una suspensión más relevantes, o lo que es lo mismo, sus ángulos y cotas:

      Ángulo de convergencia y ángulo de divergencia (toe-in y toe-out): Es el definido entre cada una de las ruedas y el eje longitudinal del vehículo, en su proyección horizontal (visto desde arriba o abajo). 

      Ángulo de avance (caster): Cuando giramos las ruedas directrices de un vehículo es muy normal que tiendan a volver a su posición original en línea recta (siempre que estemos en movimiento), a este fenómeno se le conoce por ”autocentrado”. Bien, este efecto se consigue gracias al ángulo de avance “a”, como se observa en la figura. Este ángulo suele oscilar entre 1 y 2 grados:

 

      Ángulo de caída (camber): Primero una imagen y luego la explicación, creo que será más sencillo así:

Observamos una vertical desde el suelo representada por una línea verde. Nuestro ángulo de caída será el formado por el plano del neumático y esa vertical. Aún más sencillo, trazamos una línea imaginaria, que corte a nuestro eje z, desde el suelo y que pase por el lateral de la rueda. El ángulo formado entre esa línea y el eje z es el nuestro “camber”. Estos ángulos de caída varían en condiciones de marcha del vehículo, e influyen sobremanera en la distribución de presiones de la huella del neumático sobre el firme y en la maniobrabilidad y potencia de giro de nuestro vehículo.

En automóviles de altas prestaciones, y equipados con ruedas anchas, tendrán que colocarse ángulos de caída pequeñísimos, tan pequeños como la suspensión permita.

      

      Radio de pivotamiento (wheel offset): También conocido como descentrado de las ruedas, es la distancia que hay entre el punto que se obtiene de prolongar el eje de pivotamiento hacia el suelo (B), y el punto central del dibujo del neumático (A).

Un radio negativo influirá de manera positiva en la estabilidad del vehículo, cuando las fuerzas de frenado están desequilibradas o las ruedas desinchadas, sin embargo reducirá la sensibilidad de la dirección. Un radio positivo mejorará el autocentrado de la rueda pero incrementará considerablemente los esfuerzos sobre la dirección.

     

          Efecto Ackermann: También llamado “geometría Ackermann” o “principio de Ackermann”, nos indica que cuando trazamos una curva en nuestro vehículo, la rueda interior recorre menos distancia que la exterior debido al menor radio de giro que tiene. El principio de Ackermann nos explica que si prolongamos los radios de giro de cada rueda, deberán coincidir en el mismo punto, y para que esto se cumpla, las ruedas directrices deberán girar de manera distinta, esto es, la rueda interior deberá estar más “girada” que la exterior. Esto se observa mejor con un ejemplo:

 α y β son los ángulos que indican el giro de cada rueda, como podemos observar, α es menor que β.

      Centro de balanceo (roll center) y eje de balanceo (roll axis): Cuando nuestro coche gira, no lo hace “en plano” exactamente, por muy dura que sea su suspensión, sino que la carrocería balancea alrededor de un eje, denominado eje de balanceo. El eje de balanceo está definido por la unión de dos puntos, llamados centros de balanceo. En el ejemplo se observa mejor como están situados aproximadamente estos centros y su eje:

 

La posición de los centros varía en movimiento (debido a las fuerzas dinámicas que aparecen), pero en estático se puede considerar que es esa. Aquí otro ejemplo, en el que observamos que los centros de balanceo (en reposo) están situados sobre una vertical que pasa por el centro de cada eje del vehículo. El centro de gravedad del vehículo está (cinemáticamente hablando) muy ligado al eje de balanceo, de tal forma, que cualquier fuerza transversal aplicada sobre este se transmitirá a través del eje de balanceo haciendo a la carrocería inclinarse:

 

       Par de rotación de la dirección (torque-Steer): En vehículos de tracción delantera (las ruedas motrices son las delanteras), existe la posibilidad de que tanto el sistema de tracción como la geometría de la suspensión interactúen causando distorsiones en la dirección del vehículo, este fenómeno se conoce como “par de rotación de la dirección”. Provoca al acelerar una disminución notable de la sensibilidad de la dirección (distorsión) y el famoso “tirón” (provocado por el par) del volante, disminuyendo durante unos instantes el control del conductor sobre la dirección. Entre las causas que provocan este desagradable efecto encontramos : Desigual rigidez a la torsión de cada semieje de tracción, diferente inclinación de cada semieje mientras reciben la fuerza de tracción, o conflictos entre la dirección, semiejes y geometría de suspensión.

 

En la figura observamos los dos semiejes, los cuales no tienen la misma longitud. El par motor es igual a la fuerza transmitida por el motor multiplicada por la distancia de aplicación. Es fácil averiguar que si el motor nos aporta la misma fuerza a los dos semiejes, cada rueda va a recibir distinto par ya que las longitudes de los brazos son distintas (además de que los ángulos también son distintos).

Una vez ya tenemos claros estos conceptos creo que se puede pasar a estudiar los diversos tipos de suspensiones con mayor facilidad de comprensión.

Pues hasta aquí esta primera parte (2ª parte de mecánica del automóvil) sobre suspensiones en vehículos automóviles. Espero os haya sido de ayuda para comprender mejor ciertos aspectos básicos sobre geometría de suspensiones y movimientos de la carrocería. El próximo documento abordará, como he dicho antes, sobre tipos de suspensiones, y también añadiré nociones sobre neumáticos y frenos.

A continuación, la bibliografía consultada:

http://www.solostocks.com/venta-productos/motor/otros/coche-de-caballos-millord-6193980

http://pacopi.wordpress.com/2007/page/3/

http://www.pawean.com/MVM/Coordenadas%20Cartesianas3D.html

http://www.foroshonda.com/foros/f34/porque-estas-llantas-no-topan-2015/

http://www.cronicasf1.com/Contenido/Tecnica/Las Suspensiones en la f1/Las suspensiones en la f1.htm

http://www.circulaseguro.com/seguridad-activa/la-importancia-del-alineado-de-las-ruedas

http://www.km77.com/tecnica/bastidor/balanceo/t01.asp

Tratado sobre automóviles. Tomo II. José Font Mezquita. Juan F. Dolls Ruíz.