SUSPENSIONES VEHÍCULOS (PARTE III)

Hola a todos

Con el cambio de nombre de esta humilde página prometí colocar un nuevo artículo, y aquí tenéis la tercera parte de suspensiones automotrices, en realidad no esperaba que diera tanto de sí, pero es que el tema tiene mucha "miga".

En anteriores artículos expliqué que son, como funcionan, de que elementos se compone y las diferentes geometrías de una suspensión.

Ahora ya me voy a centrar en los tipos diferentes de suspensión, clasificando en tres grandes grupos de suspensión:

1. Suspensión rígida: Las suspensiones de un lado y otro del mismo eje están unidas rígidamente, transmitiéndose las vibraciones y el movimiento de una a otra rueda.
2. Suspensión semirígida: Similar a la anterior, sólo que las masas no suspendidas son menores.
3. Suspensiones independientes: La rueda va anclada a una estructura de susensión independiente de la otra del mismo eje. No se transmiten los movimientos ni vibraciones de una hacia otra rueda.

Después de catalogar las suspensiones en tres grandes grupos, procedo a explicar mas detenidamente cada uno de ellos, y los subtipos de suspensión de cada uno:

• Suspensiones rígidas: En este caso, las ruedas van unidas rígidamente por un eje rígido (valga la redundancia). Las vibraciones, oscilaciones y movimientos de una de las ruedas se transmiten solidariamente a la otra. Debido a que el eje debe ser rígido, este ve su masa incrementada notablemente, aumentando el peso de las masas no suspendidas.

Aquí hago una reseña a masas suspendidas y masas no suspendidas del vehículo, para el que no lo sepa. Llamamos masa no suspendida de un vehículo a todos los elementos o componentes que estan íntimamente conectados a la suspensión o forman parte de ella. La masa suspendida sería todo aquello del vehículo que esta soportado por la suspensión, básicamente el chasis y todos los elementos por "encima" de la suspension. En el gráfico se observa lo dicho:

Bien, después de este paréntesis, os pongo unos ejemplos gráficos de suspensión rígida:

Esta última es una solución aportada por los ingenieros de Lada para su Niva. En el gráfico observamos que se sustituyen ballestas por muelles (mucho más eficaces a la hora de absorver irregularidades). Vemos también que los soportes de los muelles se han reforzado (este vehículo es TT). Se observan tambien barra estabilizadora bastante gruesa (de lado a lado del eje rígido), el mecanismo diferencial descentrado, con dos semiejes de distinta longitud (esto es práctica muy común). Los amortiguadores que van independientes de los muelles y colocados formando una semi estructura articulada entre sus anclajes y la barra estabilizadora. Y, fijáos bien, una barrita delgada, que conecta la zona del anclaje inferior del muelle de la izquierda, con el semieje derecho (del eje rígido). Esta barra es la denominada barra Panhard, y se coloca para que el centro de balanceo del conjunto de suspensión sea único. Todos los anclajes de las barras estabilizadora y Panhard son elásticos, para permitir cierta flexibilidad.

 

• Suspensión semirígida: Estas suspensiones son muy parecidas a las rígidas, lo que ocurre es que las ruedas están unidas entre sí como en el eje rígido pero transmitiendo de una forma parcial las oscilaciones que reciben de las irregularidades del terreno. En cualquier caso aunque la suspensión no es rígida totalmente no es independiente. El mecanismo diferencial se une al chasis directamente, no es soportado por la suspensión, por lo tanto reducimos la masa no suspendida.  A continuación una suspensión semirígida, en este caso un eje de Dion:

En el gráfico se observa que las ruedas van unidas mediante soportes articulados (1) al grupo diferencial (2), que en leste tipo de suspensión forma parte de la masa suspendida.

El giro a las ruedas se transmite a través de dos semiejes (palieres) como en las suspensiones independientes. A su vez ambas ruedas están ligadas íntimamente entre sí mediante una traviesa o tubo De Dion (3), que las ancla de forma rígida permitiendo a la suspensión deslizamientos longitudinales. Este sistema tiene la ventaja, de que se disminuye la masa no suspendida debido a la mayor ligereza del eje de Dion y al anclaje del grupo diferencial al bastidor y mantiene los parámetros de igidez de los sistemas rígidos inalterados, gracias a la traviesa antes mencionada. La suspensión posee además elementos elásticos de tipo muelle helicoidal (4) y suele ir acompañada de brazos longitudinales que limitan los desplazamientos longitudinales.

En la actualidad hay pocos coches que montan esta suspensión debido a que su coste es elevado. Alfa Romeo es uno de los fabricantes que montó este sistema, mas en concreto en el modelo 75. En la actualidad lo montan vehículos como el Honda HR-V y el Smart City Coupe.

Otro sub-tipo de suspensión dentro de las semirígidas, es la denominada de eje torsional, muy utilizada en suspensiones traseras de vehículos de tracción delantera, de gama media-baja. Un ejemplo gráfico:

 

La traviesa o tubo que une las ruedas del eje tiene forma de U, la cúal es capaz de deformarse en ciertos ángulos cuando unaa de las ruedas se levanta o baja, por lo que no transmite hasta un cierto límite (pequeño) la vibración u oscilación a la otra rueda, y una vez pasado el obstáculo regresar a su posición inicial. Las ruedas están rígidamente unidas a dos brazos longitudinales (los que se observan en la segunda figura que no van pintados en verde) que se anclan al chasis por un lado, y al amortiguador por el otro (este a su vez al chasis por su parte superior). A causa de la torsión que sufre el puente, da lugar a una recuperación parcial del ángulo de caída (acordaos del famoso "camber", explicado anteriormente en otro documento) que produce una gran estabilización de la zona, que junto al bajo peso, bajo coste y poco espacio ocupado, hacen de esta suspensión una configuración ideal para instalar debajo del depósito de combustible y de los escapes. 

• Suspension independiente: Este tipo de suspensiones es el más utilizado actualmente, debido a que las características de confort y superior guiado en marcha la hacen muy recomendable. La principal característica es que en este tipo las ruedas van unidas "independientemente", por lo que la oscilación de una, no se transmite a la otra del mismo eje. Actualmente es la suspensión más utilizada para las ruedas directrices, sin embargo no es recomendable para cargas elevadas.

Los principales subtipos de suspensión independiente son:

        - Suspensión de eje oscilante: Muestro primero un esquema de este subtipo y después comento:

Como se observa en la figura, la rueda (1) y el semieje (2) son solidarios, para el movimiento vertical, se entiende que el giro de la rueda no está impedido. Este conjunto rueda-semieje oscila (de ahí el nombre) alrededor de una articulación (3) próxima a un plano medio imaginario (plano que divide al vehículo en dos mitades simétricas con respecto a su eje longitudinal). Este tipo de suspensión nunca se usa para eje directríz, debido a que con cada trepidación (oscilación producida por un bache), la caída de rueda se altera notablemente. Para completar el conjunto, se coloca el elemento elástico y amortiguador todo junto (muelle+amortiguador) (4).

       - Suspensión de brazos tirados: También llamada de brazos arrastrados, su característica principal es poseer dos elementos (brazos) unidos al bastidor por un lado y por el otro a la articulación de la rueda, la figura lo explica mejor:

 

En este caso, al ser eje traccionante, el diferencial irá anclado al chasis (como en una suspensión semirígida). Las variantes que aporta este sistema se diferencian fundamentalmente en el eje de giro del brazo arrastrado por el bastidor y en si el muelle va en el brazo o no. Los brazos pivotan de diversas maneras, dependiendo del ángulo del anclaje, pero la principal ventaja de este sistema es que estabiliza mucho el conjunto, debido a que permite variaciones del ángulo de caída (camber), independientemente de la posición de cada brazo.

       - Suspensión McPherson: Suspensión desarrollada por Earle S. McPherson (de ahí el nombre), ingeniero de Ford. Es quizá, el subtipo de suspensión independiente más utilizado para ejes directrices, aunque también se puede implementar en el eje trasero. Un ejemplo a continuación:

     

(1) el muelle helicoidal va conjuntado con el amortiguador (2), ambos anclados arriba rigidamente a la carrocería (se necesitan refuerzos en esta zona para aguantar las torsiones). Los elementos estructurales (3) son los anclajes inferiores de esta suspensión, el (4) es un semieje de transmisión (palier), el (5) es el montante con el cojinete que permite el giro a la rueda, al cúal va anclado el amortiguador solidariamente (así se consigue que este gire con la rueda). La rótula de arrastre (6) es la articulación que permite el giro de las ruedas directrices en sentido transversal a la marcha, es decir, es la que conecta el mecanismo de dirección de nuestro vehículo con la rueda. El (7) es uno de los brazos transversales que forman parte del mecanismo de dirección del vehículo y el (8) otro de los elementos imprescindibles en toda suspensión, la barra estabilizadora.

Las suspensiones de este tipo se han popularizado mucho debido a su sencillez de diseño, bajo coste de producción y de mantenimiento y el poco espacio que ocupa. Hay una variente dentro de este subtipo que se denomina "falsa McPherson". Simplemente decir que está versión sustituye uno de los anclajes inferiores por unas bieletas, o por un triángulo inferior rígido, los cuales se encargan de absorver las torsiones, y por tanto, podemos reducir el diámetro de la barra estabilizadora.

       - Suspensión de paralelogramo deformable: También denominada de triángulos superpuestos o por trapecio articulado; todo se refiere a lo mismo, observemos las figuras:

 

Esta suspensión es la más utilizada junto a la McPherson, y como se puede observar en la primera figura, sus elementos principales son (2) y (3), el conjunto amortiguador y muelle, el anclaje de la rueda (5) se realiza a dos triángulos superpuestos (el azul y el gris de abajo), el azul anclado al conjunto amortiguador-muelle y el gris anclado a la carrocería. Se completa el conjunto principal con la barra roja (mecanismo directriz) y la barra verde (estabilizadora). La imagen de arriba corespondería al eje directriz, la de abajo es un eje que transmite tracción, pero el trasero.

       - Suspensión multibrazo (multilink): Este subtipo de suspensiones se basan en el mismo concepto básico de las suspensiones de paralelogramo deformable, es decir, el paralelogramo está formado por dos brazos transversales, la mangueta de la rueda y el propio bastidor. La diferencia fundamental con respecto a las anteriores es que los elementos guía de la suspensión multibrazo pueden tener anclajes elásticos. Gracias a este recurso, estas suspensiones permiten modificar los parámetros geométricos fundamentales de la rueda, como la caída (camber) o la convergencia (toe-in, toe-out), de cara a la mejora de la estabilidad en las distintas situaciones de uso del automóvil. Para que una suspensión sea considerada de este tipo debe de estar constituida al menos por 3 brazos. A continuación unos gráficos, y la explicación pertinente:

   

En los tres casos se puede observar que el funcionamiento es exactamente el mismo que una suspensión de paralelogramo deformable, es decir hay un elemento rígido superior (triangular) de la suspensión, el cual se ancla al chasis con una articulación que permita el giro en un eje longitudinal al vehículo. El amortiguador se ancla al chasis de manera rígida por la parte superior (copela) de igual manera que en una suspensión McPherson. Hay un elemento o brazo que conecta la rueda y triángulo superior (para transmisión del movimiento). El elemento o triángulo rígido inferior va anclado al chasis, y se interponen en los anclajes unos tacos de goma llamados "silent-blocks" (estos se usan en prácticamente todos los anclajes de suspensión, sea cual sea el tipo), cuya función es reducir aún más las vibraciones causadas por el movimiento y el ruido que transmiten los elementos al vibrar.
En definitiva podéis observar que una suspensión multibrazo es una evolución (y mezcla, porqué no decirlo) de las anteriores suspensiones independientes. Espero que tengáis más claro, cuando leáis u oigáis hablar sobre el tipo de suspensión de este o aquel coche, en que consiste dicha suspensión, que elementos la forman y como funciona.

Ahora, como lo prometido es deuda, pasaré a explicaros un poquito del diseño de una suspensión de un Fórmula 1, ahora que está tan de moda hablar de ellas.
En primer lugar, se que lo habréis advertido, la suspensión de un F1 moderno es independiente, y también con sólo observar un momento fotografías o vídeos nos damos cuenta que es del tipo multibrazo, aunque en la televisión y revistas del motor se empeñen en darle otros nombres (que son consecuencia de su forma de funcionamiento o trabajo, no de su arquitectura). Recordad que una suspensión independiente, para considerarla multibrazo, es necesario que tenga al menos 3 brazos. En segundo lugar, decir que en el diseño de la suspensión de un F1 se tienen en cuenta parámetros como la robustez, flujos aerodinámicos y eficacia. Esto último quiere decir que el objetivo de la suspensión en competición no es la comodidad del piloto, sino la mejora sustancial de las prestaciones del vehículo, aunque haya que sacrificar confort.
Bien, dicho esto, comentar que los dos tipos de suspensión (según modo de trabajo) que se usan hoy día, y que seguro estáis hartos de oir hablar de ambos, son el tipo push-rod (push=empujar) y el tipo pull-rod (pull=tirar).
Antes de explicar los dos tipos, pondré algunos ejemplos de suspensión de un F1:

 

Tanto la animación, como las fotos, creo que aclaran bastante el porqué de mis afirmaciones anteriores, y se comprueba que la suspensión de un F1, efectivamente por arquitectura, es una multibrazo. En la última foto se puede observar la suspensión delantera de un F1, los 4 brazos que forman triángulos superpuestos, los dos de arriba (upper wishbones) y los dos de abajo (lower wishbones), la barra que sube es el brazo de suspensión (suspension arm) y es la barra de compresión o empuje (esta suspensión es tipo push-rod), y la barra centrada abajo entre los dos brazos que forman el triángulo inferior, es la barra de dirección. Todos los brazos o elementos están fabricados en fibra de carbono (gran ligereza y gran resistencia a la fatiga de materiales) pero tienen un inconveniente y es que, como sabréis muchos, la fibra de carbono tiene un porcentaje muy reducido de elasticidad ya que aunque es un material que absorve muy bien el impacto, éste lo hace por destrucción de sus fibras. Debido a esto un golpe con la rueda contra un muro u otra rueda puede provocar la rotura de la suspensión.
Bien, dicho esto pasaré a explicar en detalle los dos tipos de suspensión según su forma de trabajo:

• Suspensión tipo Push-Rod: Por cierto, para el que no lo sepa, en inglés "rod" es conector o biela. Una foto de una suspensión push-rod trasera:

La push-rod delantera se puede ver en las fotografías anteriores. Bien, en la fotografía se observa que el brazo de suspensión (el que conecta el amortiguador con la rueda) es una diagonal que va desde la rueda hasta un balancín, este último encargado de transmitir el movimiento oscilante de la rueda al conjunto muelle-amortiguador. Se llama push-rod porque el amortiguador "empuja" a través del balancín al brazo de suspensión, para mantener la rueda siempre en la posición adecuada y mantener un desgaste homogéneo de la goma y absorver los baches e irregularidades de la manera mas eficaz, para hacer al vehículo agil y controlable en curvas. Los brazos de suspensión, por reglamento, no deben de ser perfiles alares, esto significa, que las dos caras de los mismos deben ser simétricas, para que no generen deportancia. 
Una foto de la suspensión delantera para que observéis los balancines que transmiten el movimiento al amortiguador delantero (es de un McLaren MP4/6, pero el sistema es practicamente el mismo que se usa ahora, y también push-rod):

Una característica fundamental de este tipo de suspensión es que los brazos y soportes que la componen deben de ser robustos, dando al conjunto más peso pero también más resistencia. Esto es así debido a que el brazo de suspensión (biela) que conecta la rueda con el amortiguador trabaja a compresión, y en este tipo de elementos la resistencia a compresión es algo menor que a tracción y por tanto hay que reforzarlo para que no haya una falla por superar el límite resistente. Ejemplo:

 

• Suspensión tipo Pull-Rod: La diferencia fundamental con el anterior sistema es que en este tipo el brazo de suspensión no trabaja a compresión, sino que trabaja a tracción. El nombre le viene porque realmente el brazo de suspensión (tirante o biela) "tira" del amortiguador cuando la rueda oscila. Ejemplo de pull-rod delantera:

 

Si señores, el último coche en utilizar este esquema en el eje delantero (antes de Ferrari este año) fue el Minardi de 2001 (si, el "cacharro" con el que debutó Fernando Alonso). A diferencia de una push-rod, el brazo de la suspensión no necesita esa robustez de la que hablamos antes porque trabaja a tracción, pero si hay que reforzar otros elementos. La principal ventaja del uso de esta suspensión es aerodinámica, debido a que frena mucho menos el flujo de aire que una push-rod (lógico porque esta última es "mas gruesa"). El funcionamiento de los balancines y demás elementos es igual que en el anterior tipo, sólo reseñar que aquí podríamos decir que la suspensión trabaja "al revés".

Ahora un ejemplo de pull-rod trasera:

La fotografía corresponde al ingenio que Adrian Newey introdujo en 2010 y que una gran parte de la prensa difundió como algo novedoso. Nada más lejos de la realidad, y como ejemplo sirva esta foto de...¡Un Brabham BT-49!, un coche diseñado por el ingeniero sudafricano Gordon Murray (nunca me cansaré de repetir que grande es este señor), y que introdujo en el año 1979 esta solución en el eje trasero:

Y ahora la pregunta del millón, ¿cuál es mejor tipo de suspensión para un F1? Pues depende mucho de lo que se quiera conseguir, los dos tipos son totalmente válidos y influirá mucho más el diseño en si de los brazos y geometrías elegidas en el desempeño satisfactorio de la suspensión, que el tipo elegido para ella. Ultimamente debido a la disminución por parte de la FIA de la carga aerodinámica en el eje trasero del vehículo, se está imponiéndo el uso de la suspensión pull-rod ya que esta deja mucho más libre la zona a los flujos aerodinámicos que la atraviesan, y podremos utilizarlos para generar más deportancia. Ferrari esta temporada ha introducido la tipo pull-rod en el eje delantero, siendo el único equipo que lo ha hecho este año. La razón es la misma que la anterior, limpiar la zona de elementos que "estorben" al libre paso del flujo de aire que atraviesa la carrocería del monoplaza.

En fin, hasta aquí este artículo, no sin antes decir que espero os sirva de mucha ayuda (o poca, simplemente que ayude). Creo que quedarán más claras las diferencias entre esquemas de suspensión a partir de ahora y que en realidad, no es nada sencillo diseñar un sistema de suspensión "ideal" para un vehículo, siempre tendremos que sacrificar algo en pos de obtener ventajas en otras facetas.

A continuación, la bibliografía consultada:

- http://www.euskalnet.net/jinfante/dinamic.html
- http://www.taringa.net/posts/autos-motos/11053683/Las-suspensiones-de-un-f1.html
- http://es.wikipedia.org/wiki/Masa_no_suspendida
- http://www.aficionadosalamecanica.com/suspension3.htm