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Noticia: Geometría de la suspensión: vista frontal
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8) GEOMETRÍA DE LA SUSPENSIÓN: VISTA FRONTAL
Centro instantáneo de de rotación
Centro de balanceo
Elección de geometría de suspensión
Transferencia diagonal de peso
Bump steer y roll steer
Vamos a analizar la influencia de las medidas y ángulos de los
componentes de una suspensión por triángulos superspuestos. Comenzaremos
colocándonos mirando a la carrilana de frente desde la parte delantera.
CENTRO INSTANTÁNEO DE ROTACIÓN ( Instant center )
El Centro Instantáneo de Rotación ( CIR ) es el punto alrededor del cual gira lateralmente la rueda al comprimirse o extenderse la suspensión. Para localizarlo tendremos que fijarnos en el ángulo y en la longitud de los triángulos de suspensión.
Ángulo de los triángulos de suspensión:
Vamos a prolongar imaginariamente la línea que une la rótula superior de la mangueta ( upper ball joint ) con la línea que une los dos anclajes de la suspensión en el chasis ( upper pivots ) . Ahora realizamos lo mismo con los anclajes inferiores. Estas dos rectas se cortarán en un punto denominado Centro Instantáneo de Rotación. Si sustituyéramos los dos triángulos articulados por un solo brazo de suspensión rígidamente unido a la mangueta y con un solo anclaje al chasis en este punto ( swing axle ), el recorrido de la rueda sería el mismo. Esto es muy útil para simplificar el análisis y el diseño de la suspensión. En el caso extremo en que los triángulos sean paralelos, este brazo sería infinitamente largo.
La distancia existente entre el CIR y la línea que une los anclajes de las manguetas ( kingpin ) define el radio del arco que sigue la rueda al moverse la suspensión ( es decir, la longitud de este brazo imaginario ). Cuanto mayor sea esta distancia, el radio será mayor y la trayectoria de la rueda será más rectilínea - por lo que ganará menos ángulo de caída negativa al comprimirse. Si esta distancia es más corta, la trayectoria de la rueda será más curva, por lo que adquirirá mayor ángulo de caída al comprimirse.
Longitud de los triángulos de suspensión:
Si los dos triángulos tienen la misma longitud, esta ganancia de caida ( camber gain rate ) será lineal, por ejempo -1º/cm indica que la rueda ganará 1º de caída negativa al comprimir 1 cm la suspensión, 2º al comprimir 2 cm, etc.
Si el triángulo superior es más corto que el inferior, esta ganancia de caída no será lineal: el ratio de ganancia de caída será menor en el primer tramos de compresión y mayor en el último. Por ejemplo, la rueda gana 1º de caída negativa con 1 cm de compresión y 2,5º con 2 cm de compresión. Sin embargo, un brazo superior demasiado corto hace que la suspensión se comporte de manera similar a un eje pivotante ( swing axle ) levantando el chasis ante las fuerzas laterales.
Un último punto a tener en cuenta es que la suspensión no solo trabaja a compresión ( bump o jounce ). Ya hemos estudiado que es necesario introducir un determinado prehundimiento ( sag ) de manera que la frecuencia natural del sistema sea la que nos ofrezca el máximo agarre y que la rueda pueda buscar el fondo de las depresiones en el asfalto ( droop o rebound ). Esto implica que la suspensión puede ganar caída negativa al comprimirse pero también ganancia positiva al extenderse por encima de su posición de reposo.
CENTRO DE BALANCEO ( Roll Center )
Si unimos el Centro Instantáneo de Rotación ( CIR ) de la rueda izquierda con el centro de su huella obtendremos una línea. Repetimos esta operación con la rueda derecha. El corte de estas dos líneas nos determina otro punto: el Centro de Balanceo ( CB ). En una goitibera simétrica y en reposo ese cuce se produce en la línea media del chasis. Si los triángulos son paralelos, como el CIR está infinitamente lejano, trazaremos una línea paralela a estos pasando por el centro de la huella.
 El CB es el punto alrededor del cual rota el CHASIS cuando comprimimos una de las suspensiones ( la RUEDA gira alrededor del CIR ). Cada eje tiene su propio CB y pueden ser diferentes entre ellos. La unión de los CB determina el eje de balanceo, que es el eje alrededor del cual rota el vehículo en su conjunto.
Ya hemos estudiado que podemos considerar que las fuerzas sobre el vehículo pueden aplicarse en el CG. Como la goitibera rota alrededor del CB, la distancia entre el CG y el CB determina el momento de balanceo ( un momento es una fuerza multiplicada por una distancia ).
- Si el CG y el CB están en el mismo punto, una acelereación lateral no producirá ninguna inclinación lateral en el chasis.
- Si el CG está más alto que el CB ( lo más habitual ), una aceleración lateral producirá una rotación del chasis hacia el exterior de la curva. Cuanto mayor sea esta distancia, mayor será la inclinación.
- Si el CG está más bajo que el CB ( poco habitual ), una aceleración lateral producirá una rotación del chasis hacia el interior de la curva. Cuanto mayor sea esta distancia, mayor será la inclinación.
A primera vista parecería deseable tener un CB a la altura del CG o por encima de él para evitar el balanceo del chasis hacia el exterior en las curvas. Sin embargo, un CB elevado comporta que la fuerza lateral que ejerce el neumático exterior a través de las suspensiones tenga una componente vertical hacia arriba ( jacking ) que levanta el chasis, lo cual es muy negativo.
Este ratio de rotación ( Roll rate ) se define como el ángulo que se inclina el chasis bajo una aceleración lateral de 1G ( 9,8 m/s2 ). Por ejemplo, un ratio de rotación de 1º/G nos informa de que el chasis se inclinará 1º bajo una aceleración lateral de 1G.
Ya hemos visto que la rueda sigue una trayectoria más o menos curva al comprimirse la suspensión. Esto genera, inevitablemente, un desplazamiento lateral indeseado de la rueda sobre el asfalto ( scrub ). La altura del CB determina este desplazamiento:
- Si el CB está por encima del suelo, la compresión de la suspensión deslizará la rueda hacia el interior del vehículo. Cuanto más alto esté el CB mayor será este desplazamiento.
- Si el CB está en el suelo el deslizamiento será el mínimo posible.
- Si el CB está por debajo del suelo, la compresión de la suspensión deslizará la rueda hacia el exterior del vehículo. Cuanto más bajo esté el CB mayor será este desplazamiento.
Este movimiento lateral indeseado tiene varios inconvenientes:
- Genera un rozamiento lateral que nos hace perder velocidad.
- Modifica continuamente el límite de agarre lateral del neumático.
Teniendo en cuenta todos estos factores, lo más habitual en monoplazas de competición es que el CB esté entre unos 3 cm por debajo del suelo y unos 5 cm por encima de este. Así logramos minimizar el levantamiento del chasis y el deslizamiento lateral de la rueda ante los baches. Sin embargo, sufriremos un mayor momento de balanceo que tendremos que contrarestar bajando decididamente el centro de gravedad, mediante un adecuado tarado de las suspensiones, mediante el uso de la barra antibalanceo y jugando con la diferencia de alturas entre los centros de balanceo delantero y trasero como veremos a continuación.
ELECCIÓN DE GEOMETRÍA FRONTAL DE SUSPENSIÓN
- El diseño más intuitivo es el de triángulos paralelos y de igual longitud. Tenemos un perfecto control de la caída con el chasis recto ( por ejemplo ante baches, agujeros o hundimiento de la parte delantera en frenadas fuertes ), un no tan buen control del desplazamiento lateral de la huella ( el ancho de vía cambia al comprimirse o extenderse la suspensión, lo que causa inestabilidad y pérdida de energía por rozamientos parásitos ) y un muy mal contro lde la caída con el balanceo del chasis, que se trasmite íntegramente: dos grados de inclinación del chasis causan dos grados de caída positiva en la rueda exterior.
- Una mejora sería el utilizar triángulos paralelos pero con el inferior más largo. Empeoramos el control de caída con el chasis recto ( importante, por ejemplo en frenada, ya que disminuimos la huella ), el control del ancho de vía es muy bueno y mejoramos algo el control de la caída con el balanceo del chasis.
- El mejor diseño, y el más habitual en competición, es el de triángulos no paralelos ( el triángulo inferior cercano a la horizontal y el superior con una inclinación hacia el centro del chasis ) y con el inferior más largo que el superior ( en una relación de entre 1,2 y 1,5 a 1, es decir, que un brazo superior de 10 cm implica un brazo inferior de entre 12 y 15 cm ). El control de caída en compresión con el chasis recto es mediocre ( en goitiberas nos afecta especialmente en el eje delantero en frenadas muy fuertes y con secciones de neumático más cuadradas ), sin embargo el control del ancho de vía es muy bueno ( buena estabilidad en rectas bacheadas ) y el control de caída con el balanceo del chasis es excelente, ya que logramos que la rueda exterior prácticamente no gane caída positiva con él balanceo lateral del chasis.
El ángulo de los triángulos se define para situar el CIR y el CB en el lugar deseado. Cuanto más lejos esté el CIR más bajo estará el CB. Solo podremos utilizar una geometría de este estilo cuando estemos seguros de que la rueda exterior no se colocará con caída positiva en las curvas con mucha aceleración lateral ( es buena idea mirar las fotos de las competiciones buscando este efecto ).
Además del diseño de la geometría, hay que considerar la flexibilidad de los materiales y las tolerancias de las uniones, que generalmente juegan en nuestra contra. Por ejemplo, la distancia entre la prolongación del tirante de suspensión que acciona el amortiguador hasta el suelo y el centro de la huella introduce un momento de flexión en la suspensión. A ello hay que unir la flexión de los triángulos, de las articulaciones, de los anclajes al chasis, etc. Mira la foto inicial como ejemplo: ¿ ves la caída positiva en la rueda exterior ? Eso no es bueno...
TRANSFERENCIA DIAGONAL DE PESOS
En el capítulo 4 hemos estudiado que la transferencia lateral de peso TOTAL depende exclusivamente del peso del vehículo, la altura del centro de gravedad, el ancho de vía y la aceleración lateral. Esto significa que será la misma independientemente del reglaje de las suspensiones - o incluso si utilizamos un eje rígido.
Lo que sí que podemos modificar es el repoarto de esta trasferencia entre las ruedas exterior delantera y exterior trasera. Esto es lo que se conoce como transferencia diagonal de pesos y es FUNDAMENTAL a la hora de realizar una puesta a punto competitiva de nuestro vehículo.
Cuando tomamos una curva, se produce una transferencia lateral de peso de esta magnitud:
Como vemos, es la relación entre la altura del centro de gravedad y el ancho de vía el que marca esta transferencia, independientemente del diseño de la suspensión.
Esta transferencia ser lleva acabo a través de dos caminos:
- Una parte se transmite a través de los muelles de suspensión y genera balanceo. Esta trasnferencia es proporcional a la distancia entre el CG y el CB. Cuando EL CG y el CB están en el mismo punto, no se transimte ningún peso a través de los muelles ( no hay balanceo ). Cuando el CB está en el suelo, toda la transferencia se realiza a través de los muelles ( el balanceo es máximo ).
- Otra parte se transmite a través de los triángulos de la suspensión, sin pasar por los muelles y no genera balanceo. Esta transmisión no depende del reglaje de los amortiguadores pero tiene tres inconvenientes: es muy rápida ( lo que puede sobrecargar la huella exterior haciéndonos perder agarre ), tiene una componente vertical hacia arriba que tiende a levantar el chasis ( jacking ) y no podemos regularla de ningún modo. Es proporcional a la distancia entre el CB y el suelo. Por ello, si el CB está en el suelo se vuelve 0 ( toda la transferencia se realiza a través de los muelles ) y si el CB coincide con el CG toda la transferencia se realiza a través de los triángulos ( y, por ello, no hay balanceo ).
Y aquí es donde entra en juego la puesta a punto: si tenemos diferentes parámetros de altura de los CB, ancho de vía, dureza de muelles en la suspensión delantera y trasera y dureza de las barras antibalanceo delanteras y traseras podemos enviar esta transferencia de pesos en mayor o menor medida hacia la rueda exterior delantera o trasera según nos interese:
- Si el ancho de vía de un eje es mayor que el del
otro, su rueda exterior recibirá menos peso que la otra rueda exterior -
ya que su ratio CG/ancho de vía será menor. De esta manera, un eje
delantero más ancho tiende a sobrecargar la rueda exterior trasera y un
eje trasero más ancho tiende a sobrecargar la rueda exterior delantera.
- Si uno de los ejes tiene el centro de balanceo más bajo que el otro, transferirá más peso a través de los muelles y las barras de torsión, que podremos distribuir a la rueda exterior delantera o trasera en función de los siguientes tres parámetros:
- Si un eje tiene un ratio de dureza de suspensión más
elevado que el otro, recibirá mayor transferencia de peso. Si la
suspensión trasera es más dura que la delantera, la rueda exterior
trasera recibirá más peso en las curvas. El ratio de amortiguación no
modifica la magnitud de esta transferencia, pero sí la velocidad de esta
transmisión: un amortiguador más cerrado transmite el peso más
rápidamente que uno más abierto.
- Si un eje tiene una barra antibalanceo más dura que el otro, recibirá mayor transferencia de pesos.
- Si un eje tiene el paso de los amortiguadores más cerrado ( especialmente la extensión ), transmitirá más rápidmente el peso. Pero hay que recordar que los amortiguadores no modifican la cantdad de peso transferido.
En próximos capítulos veremos cómo regular esta trasnferencia diagonal de pesos en función del comportamiento que queramos dar al vehículo.
BUMP STEER Y ROLL STEER
Cuando la suspensión se comprime o se extiende, el tirante de dirección sube y baja junto a la rueda. Si la trayectoria de la rótula que une la mangueta y el tirante de dirección no es paralela a la que sigue el eje de la rueda se producirá un giro indeseado de la dirección. Este giro puede ser causado por la compresión de un amortiguador ante un bache ( bump steer ) - disminuyendo la capacidad de agarre máximo del neumático y generando una conduccción nerviosa e imprecisa, con constantes correcciones o por la compresión de los amortiguadores exteriores por el balanceo del chasis ( roll steer ), en el que el efecto es más fácil de compensar girando algo más o menos el volante.
Este efecto también se produce en la rueda trasera: la única diferencia es que el tirante de dirección se sustituye por el tirante de ajuste de convergencia y, evidentemente, no podemos compensarlo con el giro del volante.
En ambos casos, el efecto es menor cuanto mayor sea la distancia entre la rótula exterior del tirante de dirección y la línea que une las dos rótulas de suspensión de la mangueta ( kingpin ) ya que, para el mismo desplazamiento lineal, se genera un menor giro.
Para evitarlo, debemos de intentar que el tirante de dirección esté diseñado como si fuese un tercer tirante de suspensión teniendo en cuenta tres aspectos:
- La rótula exterior del tirante de dirección debe de estar situada en cualquier punto de la línea que une las rótulas inferior y superior de la mangueta o en su prolongación.
- La rótula interior del tirante de dirección debe de estar situado en cualquier punto de la línea que une los anclajes superior e inferior de los triángulos en el chasis o en su prolongación.
- La prolongación del tirante de dirección debe de pasar por el centro instantáneo de rotación de la suspensión.
Si se cumplen las tres condiciones, la dirección no cambiará con el movimiento de la suspensión.
Vamos a suponer una dirección con la articulación de las manguetas situada por detrás del eje. Para las direcciones con la articulación por delante del eje, invertir todos los resultados:
Si la posición de las rótulas hace que el tirante de dirección ( o de ajuste de convergencia ) sea más corto que los triángulos de suspensión, sufriremos divergencia tanto en compresión como en extensión.
Si es más largo sufriremos convergencia en compresión y extensión.
En el caso de las direcciones de cremallera la posición de la rótula interior se regula instalando una cremallera más o menos larga. En el caso de la dirección por bieletas, la rótula interior está situada en el centro del chasis, por lo que el tirante es exageradamente largo.
Si el tirante de dirección no está alineado con el centro instantáneo de rotación las cosas se complican aún más, ya que podemos sufrir convergencia en compresión y divergencia en extensión o viceversa...
Por ello, es imprescindible un buen diseño del sistema de dirección y dotarle de algún sistema de ajuste de la posición de las rótulas del tirante de dirección si modificamos la posición de los anclajes de la suspensión en el chasis.
Un último detalle: la dirección sin bump steer no existe. Simplemente porque la posición de la rótula interior se desplaza lateralmente al torcer y porque el centro instantáneo de rotación va cambiando al comprimirse la suspensión. Lo que podemos hacer es minimizarlo hasta un límite razonable.
Nota:
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