1) AGARRE DEL NEUMÁTICO
- Fuerza lateral
- Mecanismo de agarre
- Sensibilidad a la carga
- Ángulo de deriva
- Régimen deslizante
- Viscoelasticidad
- Histéresis
- Otros factores
- Autoalineamiento
FUERZA LATERAL ( lateral force )
Cuando un vehículo de masa m toma una curva de radio r a una velocidad v, su tendencia es a continuar con su trayectoria recta anterior. Podemos representar la fuerza centrífuga como una fuerza que nos impulsa hacia el exterior de la curva con esta intensidad:
Esta fuerza será mayor cuanto más pesado sea el vehículo ( m ), cuanto menor es el radio ( r ) de la curva - cuanto más cerrada es y, sobre todo, cuanto más rápido vamos ( v que, en la fórmula, está al cuadrado ).
Para hacerle girar, necesitamos generar una fuerza lateral hacia el interior de la curva de esta misma magnitud. Esto lo lograremos a través de los neumáticos.
MECANISMO DE AGARRE
El mecanismo físico de agarre de la goma con el suelo es una mezcla de rozamiento mecánico ( un "enganche" nivel milimétrico similar al de un engranaje ) con una adhesión en las que influye la composición del neumático.
Si una rueda fuese infinítamente dura y el suelo fuese perfectamente liso, el punto de contacto entre ambos sería simplemente una línea - si el neumático fuese de perfil plano ( de coche ) o un punto - si fuese de perfil curvo ( de moto ). En la vida real cuando un neumático soporta el peso de nuesto vehículo sufre una deformación tanto en su perfil como en el punto de contacto con el suelo, que pasa a ser aproximadamente una elipse conocida como huella.
Además, un neumático gira constantemente sobre el asfalto. Cuando una partícula del mismo alcanza el suelo se ve aplastada, además de por el peso del vehículo, por la fuerza centrífuga de la propia rueda. Esto hace que la parte delantera de la huella se comprima un poco más, de manera que el radio real en ese punto es algo menor que en otro punto de la rueda y que esta huella pase de una forma elíptica a otra con forma de pera, ligeramente más ancha por la parte delantera, al soportar más peso.
El giro de la rueda va haciendo avanzar a este punto del neumático por la huella. A medida que avanza va soportando menos carga, volviendo a expandirse hacia el radio inicial de la rueda y la huella se va estrechando ligeramente hasta que por fin se separa del suelo.
Esta expansión no es instantánea sino que tarda un cierto tiempo ( piensa en una gomaespuma "perezosa" que se expande lentamente tras aplastarla ). Además, no devuelve toda la energía que recibió al comprimirse, sino que una parte se pierde en forma de calor y sonido, esto es lo que se conoce como histéresis.
Cuando giramos una rueda, esta tiende a continuar con su dirección
inicial. La parte delantera de la huella lo consigue ya que soporta más
peso y genera más rozamiento. Sin embargo, la parte trasera de la
huella, que soporta menos peso, no es capaz de adoptar esta nueva
dirección y sufre un pequeño y continuo deslizamiento
sobre el asfalto que fuerza al neumático a "retorcerse" ligeramiente.
Esta torsión del neumático es la que genera una fuerza en sentido
perpendicular a la marcha que es lo que lamamos fuerza lateral y que nos permite cambiar la dirección del vehículo.
SENSIBILIDAD A LA CARGA ( load sensitivity )
El rozamiento entre el neumático y el asfalto se define por la ecuación:
- Fr es la Fuerza de rozamiento
- N es la fuerza normal que soporta el neumático. Es la suma del peso sobre la rueda con el vehículo en reposo más los posibles incrementos o decrementos por las fuerzas aerodinámicas o por las transferencias de carga longitudinales ( aceleración y frenada ) o laterales ( en las curvas ).
- μ es el coeficiente de rozamiento, que depende de los componentes que están en contacto.
Al aumentar la carga, la goma se ve deformando más y va "rellenando" las pequeñas irregularidades del asfalto. De esta manera logrmos aumentar la superficie de adhesión y la profundidad de los "enganches" mecánicos entre goma y asfalto.
Este aumento de rozamiento es casi lineal en los niveles bajos de carga ( si doblamos la carga prácticamente se dobla el agarre ). Sin embargo, llega un punto en el la mayor parte de las irregularidades del asfalto ya están "rellenas" y el aumento de carga no logra el mismo aumento de agarre ( si multiplicamos por 2 la carga el agarre se multiplica por ejemplo por 1,8 ).
Este fenómeno es lo que llamamos SENSIBILIDAD A LA CARGA y es FUNDAMENTAL en el estudio de la dinámica de nuestro vehículo, ya que implica que las ruedas ofrecen el máximo agarre cuando las cargas son reducidas: tanto las debidas al peso del vehículo como a las transferencias de peso en frenadas o curvas. En teoría, la geometría que otorgaría la máxima capacidad de agarre sería un reparto igual del peso ( 25% en cada una de las 4 ruedas ) y ninguna transferencia de peso en frenadas o curvas - cosa que, desgraciadamente, es imposible.
ÁNGULO DE DERIVA ( slip angle )
Cuando tomamos una curva, le pedimos a nuestro neumático que genere una fuerza lateral hacia el interior de la misma que evite que salgamos hacia el exterior.
 Al girar la rueda, la huella de contacto entre el neumático y el suelo se deforma ligeramente - recordad el concepto de histéresis explicado anteriormente.
La parte delantera ( que es "aplastada" contra el suelo por el giro de la rueda ) resiste el efecto de la curva y mantiene prácticamente la dirección de giro. Sin embargo la parte trasera, que soporta menos presión, cede ante la fuerza lateral y se "retuerce" un cierto ángulo deslizando ligeramente sobre el asfalto. Este ángulo es el ÁNGUO DE DERVIVA. Cuanto mayor sea este ángulo, más se "retorcerá" la huella de contacto y más fuerza lateral generará.
También se puede definir como el ángulo formado entre la dirección en la que apuntan las ruedas y la dirección en la que realmente tuerce la carrilana.
Un neumático de goma es capaz de "retorcerse" y tiene un buen agarre lateral, sin embargo, las Goitibeheras de ruedas de rodamiéntos metálicos tienen un ángulo de deriva prácticamente 0 ( el metal prácticamente no se deforma ). No hay que confundir este angulo de deriva con la posible flexión de los flancos del neumático ante cargas muy elevadas.
La relación entre el ángulo de deriva y la fuerza lateral ( que es la que nos da agarre en la curva ) crece linealmente para ángulos de deriva bajos, luego va disminuyendo hasta que se alcanza un máximo a partir del cual cae de repente. En la práctica un neumático agarra en una misma curva a velocidades cada vez mayores hasta que llega un momento en que "se va", justo después del momento de máximo agarre lateral.
Los neumáticos de serie tienen la curva más aplanada ( agarran menos pero "se van" poco a poco derrapando ligeramente ), los neumáticos de competición tienen la curva más vertical ( agarran más pero no avisan, cuando se va, se va de golpe. Del mismo modo, los neumáticos radiales obtienen la máxima fuerza lateral con ángulos de deriva más reducidos que los neumáticos diagonales.
Este ángulo de deriva no tiene porqué ser el mismo en el tren delantero y en el trasero. Estudiaremos esto en profundidad cuando hablemos del subviraje y el sobreviraje.
RÉGIMEN DESLIZANTE
Cuando dos cuerpos están en contacto, la fuerza de rozamiento es el producto de la fuerza normal ( peso soportado más apoyo aerodinámico ) por el coeficiente de rozamiento. El coeficiente de rozamiento es mayor cuando los dos cuerpos están en reposo entre ellos ( coeficiente de rozamiento estático ) que cuando están deslizando ( coeficiente de rozamiento dinámico )
A medida que vamos aumentando la aceleración lateral, va aumentando la proporción de la huella del neumático que desliza sobre el asfalto, dismimuyendo el agarre lateral.
Para hacernos una idea de la velocidad de este deslizamiento lateral, un neumático rodando a 80 Km/h y girando con un ángulo de deriva de 5º tiene una velocidad lateral de 7 Km/h.
Los neumáticos de sección más ancha tienen, a igualdad de construcción y presión de inflado, una huella de contacto más corta y más ancha. Esto implica que, para el mismo ángulo de deriva, hay menos porcentaje de la goma deslizando sobre el asfalto. Esta es la causa de que los neumáticos más anchos suelan ofrecer mayor agarre lateral.
VISCOELASTICIDAD
Cuando apretamos un muelle, la constante de dureza del mismo es independiente de la velocidad a la que lo comprimamos. Sin embargo, la goma que compone el neumatico es un material viscoelástico: esto significa que para velocidades bajas de compresión, su constante de dureza es menor y que para compresiones rápidas aumenta esta dureza, disminuyendo su capacidad de agarre.
Esto implica que existe una velocidad de deslizamiento óptima en la que la combinación del porcentaje de la huella que está en régimen deslizante y su constante de dureza debido a su naturaleza viscoelástica nos da el máximo agarre con el asfalto, que lograremos con un determinado ángulo de deriva: ni más ni menos.
Para acabar de complicar las cosas, esta velocidad de deslizamiento óptima ( y, por tanto un ángulo de deriva óptimo ) varía en función de las características del asfalto: un grano muy fino necesita velocidades de deslizamiento ( y ángulos de deriva ) menores que un asfalto de grano más grueso.
HISTÉRESIS ( hysteresis )
En este gráfico puedes encontrar el grado de compresión de la goma ( eje
horizontal ) respecto al tiempo ( eje vertical ). La compresión se
realiza por el "camino" inferior y la expansión por el superior. La
compresión es más rápida que la expansión.
Una
goma con mucha histéresis absorbe mucha energía ( rebota poco ) y una
con baja histéresis absorbe poca energía ( rebota mucho )
Como hemos visto en el apartado del mecanismo de agarre, durante los pequeños deslizamientos sobre el asfalto, la goma ejerce presión sobre las pequeñas protuberancias que forman las irregularidades del asfalto.
Cuando la goma ejerce presión sobre la cara del interior de la curva, dicha presión se opone al deslizamiento, ofreciéndonos agarre lateral. Sin embargo, si dicha presión de la goma se produce en la cara de la protuberancia orientada hacia el exterior de la curva, esta presión favorece el deslizamiento, lo que no nos interesa.
Una goma de alta histéresis ( un neumático de competición de circuito ) recupera su forma más lentamente tras una deformación. Esto permite que, durante los pequeños deslizamientos sobre el asfalto, la goma ejerza presión en la parte de la irregularidad del asfalto que se opone a ese deslizamiento pero no en la contraria, ya que todavía está comprimida.
Sin embargo, una goma de baja histéresis ( un neumático de turismo ) recupera su forma muy rápidamente tras una compresión. Esto significa que ejercerá presión en la cara del interior de la protuberancia pero también ejercera una elevada presión en la cara del exterior, disminuyendo el agarre total. Este grado de amortiguación en un neumático estándar de calle ronda el 7% del coeficiente de amortiguación crítica ( que veremos en el capítulo 7 ).
Sin embargo, ya sabemos que la histéresis, además de aumentar el agarre, aumenta la resistencia a la rodadura. En el caso de los deportes de inercia, al no disponer de motor tenemos que equilibrar estos dos efectos: no siempre la goma con más agarre es la más rápida. Puede que lo que ganemos en las curvas lo perdamos con creces en las rectas.
OTROS FACTORES:
- Presión de inflado: La fuerza lateral se transmite desde la huella hasta la llanta a través de los flancos. La presión de inflado mantiene la rigidez de la carcasa y de la banda de rodadura. El máximo agarre lateral puede producirse con presiones relativamente elevadas.
- Ancho de llanta: El máximo agarre lateral del neumático se genera cuando sus flancos están rectos. Esto se logra con una llanta de +/- 1/2 pulgada de la anchura real del neumático.
Una llanta demasiado ancha hace que los laterales de la banda de rodadura trabajen en exceso. Una llanta demasiado estrecha "abomba" el neumático sobrecargando la parte central.
- Ángulo de caída: Como hemos estudiado en el apartado de geometría de la rueda, un ángulo de caída negativo durante un apoyo lateral produce un agarre lateral adicional. Lo analizaremos más en profundidad en el capítulo 5.
AUTOALINEAMIENTO ( self aligning torque )
Ya hemos visto que tanto el ángulo de avance como una salida negativa producen un par de autoalineamiento de la dirección - el volante vuelve solo a la posición recta al soltarlo porque la rueda, al girar, baja por debajo de la cota cero ( el nivel del asfalto ).
Adicionalmente, el mecanismo de agarre a través del ángulo de deriva produce un par de autoalineamiento en sentido contrario - el volante se vuelve más duro y cuesta más y más girarlo.
Este par de autoalineamiento va aumentando hasta poco antes del ángulo de deriva donde obtendremos el máximo agarre lateral. Este ángulo se encuentra poco después de que el volante vuelva a "ablandarse". Esto es útil ya que nos permite tener una indicación aproximada de este ángulo con el máximo agarre lateral.
El autoalineamiento causado por el ángulo de avance o por la salida negativa enmascara este efecto y la dureza del giro del volante se mantiene más constante. Los amortiguadores de dirección, aunque vuelven la conducción más descansada y suave en algunos casos, también enmascaran este par de autoalineamiento.
© Calixto García. Zonagravedad.com. Permitido el uso incluyendo enlace a la fuente
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