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Noticia: Componentes de la suspensión



7) COMPONENTES DE LA SUSPENSIÓN


- Objetivos del sistema de suspensión
- Masa suspendida y no suspendida
- Principales diseños: Doble triángulo asimétrico, McPherson.
- Muelles: tipos, dureza, ratio de instalación, progresividad, topes, frecuencia natural.
- Amortiguadores: compresión, rebote, amortiguación crítica, compresión-extensión, alta-baja velocidad, depósito separado.
- Barras estabilizadoras





OBJETIVOS DEL SISTEMA DE SUSPENSIÓN

El sistema de suspensión de un vehículo tiene dos finalidades fundamentales:

- Aumentar el confort del conductor aislándole de las irregularidades del terreno. En competición también es importante porque es difícil efectuar un buen pilotaje si estamos contínuamente sufriendo vibraciones y movimientos bruscos.
- Aumentar el % de tiempo que la rueda sigue el perfil del terreno. Esto tiene dos ventajas:
   - Mejora el agarre del neumático con el asfalto, con la consiguiente mejora en aceleración lateral y en frenada.
   - Cuando la rueda pierde contacto con el asfalto al haber sido impulsada hacia arriba por una protuberancia del mismo, tarda una fracción de segundo en volver a caer, por lo que no aprovecha la "bajada" de dicha protuberancia - que le devolvería parte de la velocidad perdida en el impacto. Si mejoramos el % de seguimiento del perfil del terreno, recuperamos más parte de esta energía perdida.




MASA SUSPENDIDA Y NO SUSPENDIDA

La masa suspendida es la parte del conjunto vehículo más piloto que es soportada por el sistema de suspensión. La masa no suspendida es el conjunto de llanta, neumático, eje, frenos y la mitad del propio sistema de suspensión y amortiguación.



De cara a mejorar la eficiencia de la suspensión es muy importante disminuir la masa no suspendida. Cuando la rueda pasa sobre un obstáculo, sufre una aceleración vertical hacia arriba. Tomando como base la ecuación  ( Fuerza = masa x aceleración ), la fuerza que se transimte hacia arriba está en función de la masa en movimiento ( la masa no suspendida ).

Por esto, un conjunto ligero de llantas, frenos y neumáticos genera, a igual aceleración, menos fuerza vertical sobre el vehículo.

En la misma línea, si la masa suspendida es mucho mayor que la no suspendida ( un ratio masa no supendida / masa suspendida pequeño ), el efecto de la fuerza en la masa suspendida es más pequeño.




PRINCIPALES DISEÑOS

El principal diseño de suspensión en competición es el doble triángulo asimétrico ( double A-arm o double wishbone ). Consiste en dos triángulos superpuestos con dos anclajes al chasis y uno o dos a la rueda. Entre los dos definen la trayectoria que sigue la misma en su recorrido. Un tirante conectado con la mangueta permite el giro de la rueda delantera y otro o el ajuste de convergencia en la rueda trasera.



El amortiguador se puede colocar inclinado entre el triángulo inferior y el chasis o se puede situar en el interior del habitáculo conectado a un balancín que se acciona mediante un tirante de suspensión conectado con el triángulo inferior.

La suspensión Mc Pherson es la más habitual en vehículos de turismo. El triángulo inferior y el tirante de dirección son más o menos similares pero el triángulo superior desaparece y, en su lugar, se coloca el propio amortiguador que ejerce funciones tanto de suspensión como de guiado de la trayectoria de la rueda. Tiene la ventaja de su mayor simplicidad y economía pero requiere de más espacio vertical y de amortiguadores de mayor tamaño.

A partir de este punto vamos a referirnos siempre al diseño de doble triángulo asimétrico por ser el más habitual y versátil en vehículos de competición.




MUELLES: Tipos, dureza, ratio de instalación, topes y frecuencia natural.

El ratio de dureza de un muelle se define como el desplazamiento que obtenemos con una determinada fuerza. Se mide en Kg/cm o en lb/pulgada. Un muelle de 50 Kg/cm se deformará un centímetro bajo una carga de 50 Kg.

El ratio de instalación indica los centímetros que se deforma el muelle por cada centímtero de recorrido de la rueda. Un ratio de instalación de 1:3 indica que 3 cm de recorrido de rueda producen 1 cm de deformación en el muelle.

El ratio de dureza en la rueda es el producto del ratio de dureza del muelle por el cuadrado del ratio de instalación. A la hora de hacer cálculos tendremos que tener en cuenta también la constante de dureza del propio neumático.

La progresividad indica si el ratio de dureza se modifica o no a medida que se va comprimiendo la suspensión. Una suspensión progresiva es más blanda en el primer tramo de recorrido y más dura al final.

Existen distintos tipos de muelles apliacbles a la suspensión:

- Muelle helicoidal.
- Aire comprimido.
- Ballesta.
- Barra de torsión.
- Elastómero.
- Muelle helicoidal: Se trata de un hilo de acero enrrollado en espiral. La constante de dureza suele venir indicada en el mismo y es función del diámtero exterior, el diámetro del hilo, el material empleado y el número de espiras.



Donde:

- d= diámetro del hilo
- G= modulo de elasticidad del material
- n= número de espiras activas
- D= diámetro medio del muelle
Los amortiguadores suelen incorporar una anilla roscada que permite precomprimir el muelle. Si al muelle anterior de 50 Kg/cm lo precomprimimos 1 cm reduciremos el hundimiento de la suspensión bajo el peso del vehículo y el piloto. En el caso de que no exista prehundimiento introducimos un umbral de activación de la suspensión: los primeros 50 Kg de carga no producirán movimiento en la suspensión. A partir de este punto, la suspensión funciona con el ratio de dureza original.

La dureza del muelle NO varía en función de su grado de compresión. Es constante hasta que las espiras se comprimen completamente y entran en contacto unas con otras, momento en el cual se vuelve completamente rígido. La única excepción son los muelles progresivos que tienen unas espiras más juntas que otras. Al comprimirse logra que una parte de las espiras entren en contacto con lo que el número de espiras efectivas es menor y la dureza efectiva es mayor. De esta manera, la dureza es menor al principio y mayor al final.

- Aire comprimido: Habitual en amortiguadores de bicicleta, permite una sencilla regulación de la dureza al ir aumentando la presión interior. Por su naturaleza son progresivos ya que al comprimirse disminuye el volumen interior y aumenta la presión: de esta manera la dureza aumenta a medida que se va comprimiendo. Como inconveniente, suelen presentar una fricción inicial más elevada por el sellado de los retenes.

- Ballesta. Se trata de unas láminas de acero especialmente tratado que funciona bajo flexión. La constante de dureza para una ballesta simple aumenta linealmente con la anchura de la ballesta, aumenta al cuadrado con el aumento de espesor y aumenta a la cuarta potencia con la longitud de la misma. Algunas goitiberas como las SBS Sejkora utilizan a las propias ballestas como triángulos de suspensión, simplificando el conjunto.



- Barra de torsión. Se trata de una barra cilíndrica, maciza o hueca, que no trabaja a flexión sino al retorcerla. Se emplea principalmente en las barras antibalanceo - que veremos a continuación - o en vehícculos en los que el espacio disponible es muy reducido.

- Elastómero. Se utiliza principalmente como tope en el vástago del amortiguador. Permite que la constante de dureza aumente exponencialmente en el último tramos de recorrido del amortiguador evitando que las espiras lleguen a contactar entre ellas, ya que esto volvería repentinamente a la suspensión completamente rígida. Su constante de dureza aumenta al disminuir su longitud, al aumentar su diámetro y al emplear un material más rígido. La froma cilíndrica es más lineal y la troncocónica o de diábolo es más progresiva.

Al comprimir una suspensión y liberarla, se inicia un proceso cíclico de compresión y expansión de manera similar al péndulo de un reloj. Si no existiese ninguna resistencia, este proceso continuaría indefinidamente. El número de ciclos que se producen cada segundo se conoce como frecuencia natural del sistema y se mide en Hercios ( Hz ).

Esta frecuencia natural está muy relacionada con el prehundimiento ( sag ). Las suspensiones están diseñadas para que en reposo, y bajo el peso del vehículo y sus ocupantes, se hundan en parte de su recorrido. Esto permite que se complete el ciclo de compresión-extensión - marcando como punto de reposo este prehundimiento y no la extensión completa del amortiguador - así como que la rueda busque el fondo en los pequeños agujeros en el asfalto.




AMORTIGUADORES: compresión, rebote, amortiguación crítica, compresión-extensión, alta-baja velocidad, depósito separado.

Un amortiguador es básicamente un cilindro lleno de aceite  en el cual se localiza un pistón conectado a un émbolo. Cuando la suspensión se comprime, el pistón se desplaza a través del aceite dejándole pasar solo por un orificio de tamaño regulable. Esto genera un freno al desplazamiento que transforma la energía cinética en calor.

Esta fuerza de resistencia se eleva exponencialmente con la velocidad de movimiento del pistón: a bajas velocidades la resistencia es baja pero cuando la velocidad aumenta la resistencia aumenta aún más.

La función del amortiguador es disminuir el número de oscilaciones cíclicas de la suspensión ( su frecuencia natural ). Si esta disminución es muy leve, su efecto será muy reducido y sufriremos los vaivenes de la suspensión. Por el contrario, si esta disminución es demasiado fuerte, la suspensión permanecerá comprimida más tiempo del necesario - restando recorrido útil para el siguiente impacto - y, además, transmitirá más fuerza vertical a la masa suspendida.

Cuando la oscilación se elimina en el mismo lapso de tiempo en el que la suspensión ( sin amortiguar ) realizaría un ciclo completo de compresión y expansión, el coeficiente de amortiguación se denomina amortiguación crítica.

Es habitual expresar el grado de amortiguación como el cociente entre el coeficiente de amortiguación y el coeficiente de amortiguación crítica. Según esto:

- ζ = 0. Sistema sin amortiguar.
- 0<ζ<1. Sistema infraamortiguado.
- ζ=1. Sistema con amortiguacióin crítica.
- ζ>1. Sistema sobreamortiguado.

Aunque lo estudiarmos con más detalle, el ratio de amortiguación en competición siempre es menor que 1: el objetivo es eliminar la oscilaión de la suspensión ( más lentamente que lo que lo haríamos con el coeficiente de amortiguación crítica, por lo que tendremos uno o dos ciclos de compresión-extensión adicionales aunque de mucha menor amplitud que el primero ) y, a la vez, disminuir en la medida la transmisión de los impactos a la masa suspendida.

En algunos amortiguadores este ratio de amortiguación puede regularse separadamente en compresión y extensión:

- En un coche de serie, la suspensión busca principalmente la comopdidad: El amortiguador de compresión está bastante abierto ( es fácil de comprimir ) y el de extensión está más cerrado ( vuelve más lentamente ). De esta manera se absorben los obstáculos pequeños y la amortiguación de extensión más lenta evita la sensación de "bamboleo", como si fuéramos en un barco. El % de amortiguación ronda el 25-30% en compresión y el 70-75% en extensión.

- Una suspensión de competición posee una amortiguación de compresión más cerrada, cuesta más hundirla pero el piloto "siente" mejor las curvas y se evitan en mayor medida los desplazamientos de peso a la rueda exterior, mejorando el agarre y la precisión. En contrapartida, tenemos menos confort , especialmente en suelos muy rotos. La amoriguación en extensión se abre ligeramente para mejorar la velocidad de reacción ante impactos repetitivos. No debemos excedernos al abrirla ya que sufriríamos el temido efecto "rebote". El % de amortiguación ronda el 50-60% en compresión y el 40-50% en extensión.

En amortiguadores más avanzados, también es posible regular separadamente el ratio de amortiguación a baja y alta velocidad ( del émbolo, que no del vehículo ). Las oscilaciones de baja velocidad son causadas por la transferencia de pesos en curvas o en frenadas así como las ondulaciones de gran amplitud del terreno. Las oscilaciones de alta velocidad son las causadas por las pequeñas irregularidades del terreno. Es habitual emplear un coeficiente de amortiguación más alto en las oscilaciones de baja velocidad - para ralentizar las oscilaciones del chasis - y otro más bajo para las de alta velocidad - para mantener una buena sensibilidad a los pequeños baches. una tecnología similar es la empleada en los amortiguadores de bicicleta de plataforma estable.

El depósito separado - ya sea unido rígidamente al cuerpo del amortiguador o mediante un latiguillo flexible, permite aumentar la capacidad de aceite del mismo para disminuir su calentamiento ante reuqrimientos prolongados.

En algunos casos, el amortiguador incorpora una pequeña cámara de aire que no tiene función de muelle sino que se emplea en comprimir una membrana que aumenta la presión en el aceite y lo separa del aire para evitar la formación de burbujas ( cavitación ) que empeora su rendimiento.




BARRAS ESTABILIZADORAS ( Sway bar )

La función de la barra estabilizadora o anti-balanceo, es disminuir el balanceo lateral del chasis causado por la transferencia lateral de peso en las curvas con fuerte aceleración lateral. Básicamente se compone de un mecanismo que enlaza la rueda izquierda y la derecha - bien sea directamente en las manguetas o a través los balancines de manera que la compresión de la suspensión interior obliga a una compresión de la suspensión exterior, de manera que el eje se hunde por igual en ambos lados y permanece horizontal.

Si este enlace fuese completamente rígido, el comportamiento sería como el de un eje de una pieza, por lo que perderíamos la independencia de las suspensiones ( un bache en una rueda hace subir a la rueda contraria ). Por ello, el enlace tiene una cierta flexibilidad: a mayor dureza mayor efecto antibalanceo y menor independencia y a menor dureza menor efecto antibalanceo y mayor independencia.

La configuración tradicional ha sido un tubo hueco de acero con forma de "C" alargada anclada al chasis en los extremos de la parte central. Cuando ambas suspensiones se comprimen a la vez, el tubo rota sobre sus anclajes, por lo qe no ejerce ningún efecto. Cuando solo se comprie una de las suspensiones, el tubo se retuerce.



Esta dureza se regula mediante las dimensiones del tubo ( diámetro, espesor y material ) y mediante la distancia del anclaje de las suspensiones al eje de giro: cuanto mayor es la distancia, más palanca ejercen por lo que la barra se vuelve más flexible.

Existen variaciones sobre este diseño en el que el tubo se sustituye por una barra de corta longitud alojada en el interior del chasis accionada por levas rígidas pero el funcionamiento básico es el mismo.

Otra opción interesante es la sustitución de estas levas rígidas por espadines finos más o menos rectangulares ( algo similar a la hoja de un cuchillo ). Es posible rotarlos a lo largo de su eje de manera que si trabajan "de canto" presentan una flexibilidad reducida y si trabajan "de cara" tienen una flexibilidad más elevada. Esto permite un ajuste más rápido e incluso su accioamiento en marcha desde el habitáculo.



En el capítulo siguiente veremos que la barra estabilizadora, junto con la psoción relativa de los centros de balanceo, son una herramienta muy útil a la hora de regular la transferencia diagonal de pesos.










 
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Autor: Calixto García Velasco



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