GENERALIDADES LA SUSPENSIÓN DE UN VEHÍCULO
INTRODUCCIÓN Son muchos los motivos y parámetros que han permitido al ser humano desarrollar sus capacidades creativas en la innovación tecnológica, una de estas ideas proactivas ha sido la de la construcción de vehículos de carreras, la cual ha permitido el avance exponencial en los diversos componentes que permiten a un vehículo gran turismo y de competición, ser una muestra del ingenio humano, dentro de estos componentes encontramos la suspensión, parte vital del comportamiento dinámico del automotor. Uno de los componentes necesarios para el comportamiento de un vehículo y su confort, bien sea hacia la conducción o hacia la comodidad del conductor, es la suspensión; elemento que permite una óptima maniobrabilidad y confiabilidad de respuesta frente a las particularidades del camino al que esté sometido; por tal motivo, es necesario la identificación de los diferentes tipos que de ella existen y sus aplicaciones, según sea el perfil del trayecto con el que se espera que interactúe. 2
ESTRUCTURA DE CONTENIDOS Introducción...2 Mapa Conceptual...4 1.1. Vehículo de Carreras...5 1.2. Suspensión Mecánica...5 1.2.1. Masa suspendida y no suspendida...5 1.2.2. Clasificación de la suspensión según su ajuste...6 1.2.3. Suspensión de un vehículo tipo Fórmula...7 1.2.4. Clases de Suspensión según su estructura...7 1.2.5. Clases de Suspensión independiente...9 1.2.6. Componentes de la suspensión de un monoplaza tipo formula...10 Bibliografía...13 Glosario...15 Control de Documentos...16 3
MAPA CONCEPTUAL GENERALIDADES DE LA SUSPENCIÓN DE UN VEHÍCULO especificadas desde UN VEHÍCULO DE CARRERAS LA SUSPENCIÓN MECÁNICA e p icadas desde LA MASA SUSPENDIDA Y NO SUSPENDIDA SU CLASIFICACIÓN SEG N SU AJUSTE UN VEHÍCULO TIPO FÓRMULA SU CLASIFICACIÓN SEG N ESTRUCTURA SU CLASIFICACIÓN SEG N INDEPENDENCIA como son LOS BRAZOS O TIJERAS LOS COMPONENTES DE UN MONOPLAZA TIPO FÓRMULA como son LOS ROCKETS Y BALANCINES PASIVA como SEMIACTIVA ACTIVA RÍGIDA como SEMIRÍGIDA INDEPENDIENTE LAS DE EJES OSCILANTES LAS DE BRAZOS LONGITUDINALES LA McPHERSON LOS TRIÁNGULOS SUPERPUESTOS (TIJERAS) LOS ANCLAJES LOS RESORTES LOS AMORTIGUADORES LAS RÓTULAS O UNIBALLS LAS BARRAS PUSH O PULL LAS BARRAS DE ESTABILIZACIÓN 4
1. GENERALIDADES DE LA SUSPENSIÓN 1.1 Vehículo de Carreras Se llama vehículos de carreras o race car a todo monoplaza o biplaza modificado, diseñado específicamente para obtener un alto rendimiento en aceleración y velocidad, atendiendo a necesidades requeridas de acuerdo condiciones dadas (máxima velocidad, máxima aceleración, terreno o pista, peso del vehículo, número de pilotos en carrera, circuito cerrado, circuito abierto, etc), para un evento especifico. 1.2 Suspensión Mecánica La suspensión es el elemento mecánico del vehículo que permite un confort necesario, para el óptimo y cómodo manejo del mismo, debido a su desempeño en la absorción de vibraciones, y el amortiguamiento al desplazarse por depresiones o protuberancias en el terreno, a velocidades y aceleraciones específicas que inciden sobre la masa suspendida (Chasis, motor, piloto, etc). Masa suspendida y no suspendida El hacer de la suspensión se encuentra en la masa suspendida; ésta se encuentra conformada por la suma de componentes que permiten la tracción del vehículo; además, del mando del mismo, es decir, el motor, la trasmisión, el sistema de dirección, el piloto, el chasis, la carrocería, los componentes eléctricos y electrónicos, entre otros. Por el contrario, el ser de la suspensión se refleja en los componentes que se encuentran directamente unidos al suelo y que no entran en contacto directo con los movimientos oscilatorios de la suspensión; tal es el caso, de las llantas aunque estas en realidad poseen su propio sistema de amortiguación, pero, debido a la relación en magnitud con la suspensión 5
del vehículo, es insignificante hablar de ella para los pertenecientes a la gama media; por el contrario, sí es tomada en cuenta en vehículos de alta competencia, los rines, los frenos, las barras de soporte, las barras de amortiguamiento, amortiguadores, resortes, entre otros. Clasificación de la suspensión según su ajuste Suspensión Pasiva: Cuando en la fábrica se adecúa la suspensión de un vehículo convencional, se espera que ésta opere de acuerdo con las condiciones de diseño; por lo cual, es de esperar que siempre se calibre al valor por defecto, no permitiendo un ajuste a convenir según los requerimientos del usuario; a este tipo de suspensión se le denomina pasiva, por la nula capacidad de ajustarse automáticamente. Suspensión semiactiva: Cuando un auto deportivo sale al mercado, éste puede ajustarse según los requerimientos del dueño, siendo necesario que los parámetros de calibre, sean ejecutados mediante la ayuda de sensores, actuadores, y componentes electrónicos, que permiten la regulación de la rigidez y la amortiguación de la suspensión; a este sistema, se le denomina suspensión semiactiva. Suspensión activa: Usualmente este tipo de suspensión debe tener un sistema de memoria y de retroalimentación o feedback; el cual recoge información del camino por medio de sensores, pasando estos datos a un sistema de control o microprocesador, el cual se encarga de controlar y ajustar las magnitudes exactas en los componentes de amortiguamiento y rigidez de la suspensión, a este tipo se le denomina activa. 6
Vehículo con Suspención clásica Citröen Activa Línea Recta Entrada en la curva Viraje pronunciado Suspensión de un vehículo tipo Fórmula Los vehículos tipo fórmula, son hoy por hoy los más aclamados a nivel mundial, pues sus avances tecnológicos han estado a la cabeza del sector, propiciando una gran cambio en los vehículo granturismo cotidianos. Al hablar de la suspensión de un monoplaza tipo fórmula, es necesario tener en cuenta que estos vehículos se diseñan para optima maniobrabilidad en las condiciones que presente la pista, no para el confort del piloto; por ende, el fin de la suspensión es el de brindar un alto rendimiento en el comportamiento del vehículo; además, al ser el centro de gravedad tan bajo, las oscilaciones poseen una amplitud pequeña a frecuencias muy bajas, es decir, los desplazamientos de la suspensión en general no superan los 10mm a altas fuerzas de gravedad (4G-7G), por lo que se considera que para este tipo de vehículos, la suspensión independiente semirrígida es la de mejor desempeño, en condiciones en las cuales cualquier otra fallaría. Clases de suspensión según su estructura Suspensión Rígida: En este tipo de suspensión el eje se encuentra solidario con las ruedas laterales, lo que permite que cada una de los componentes de reacción de la rueda respecto a las condiciones del terreno, se trasmita a la siguiente; además, hace que todo el conjunto pase a 7
ser parte de la masa suspendida del sistema, incluido el eje y su respectivo diferencial, por lo que esa acción de reacción aumenta ligeramente. Sin embargo, al ser tan poco propensa a cambios en el diseño, es más sencilla de construir y de montar, por lo que es la más utilizada en vehículos de carga o transporte pesado. Este tipo de suspensión, no acostumbra a usar resortes, si bien puede tenerlos; lo ideal, es utilizar un conjunto de muelles o ballestas, los cuales van de la mano con la barra de estabilización y balanceo lateral, permitiendo el correcto funcionamiento de la misma respecto al chasis. Suspensión semirrígida: Al igual que en la suspensión rígida las ruedas están unidas, sin embargo, en este tipo, el diferencial es el único que hace parte de la masa suspendida, aligerando el peso sobre la amortiguación. Otra característica es la unión de las llantas entre sí, y al bastidor; bien sea por una barra superior (Figura a) llamada Dion, o por un eje de torsión (Figura b), estas ruedas también están unidas al eje diferencial por dos semiejes que trasmiten el movimiento. Eje de Dion Figura A Figura B Una de las ventajas frente al tipo rígido, es que la carga de respuesta que se trasmite a la otra rueda es mucho menor. Esta suspensión se puede encontrar con ballestas o con resortes. En la actualidad, no hay mucho uso para este tipo de suspensión, debido a que el eje de Dion o el eje de torsión son muy pesados; además de agregar costo de elaboración y magnitud a la masa no suspendida. 8
Suspensión Independiente: Actualmente este tipo de suspensión es las más usadas debido a su fácil construcción, a su versatilidad y su independencia para cada una de las llantas; lo que permite que la respuesta solo afecte al sistema individual de suspensión, y no a alguna de las otras ruedas; además, suelen ser más ajustables para el confort del piloto y la maniobrabilidad del vehículo, sin contar con que poseen un menor peso no suspendido; sin embargo, suelen soportar un menor peso, por lo que son ampliamente usadas para los vehículos de competencia, más que para los vehículos de carga. Clases de suspensión independiente 4 1 3 2 Suspensión de ejes oscilantes: Este tipo de suspensión, poco usual, está basada en un centro de unión oscilante, de la cual van unidos a lado y lado, un sistema de eje y ruedas solidarios; el problema de este sistema es la alteración en el cambio brusco único en cada elemento y, de acuerdo a las condiciones del terreno; motivo por el cual, no es deseable que los semiejes sean conductores. 9 Macpherson Strut Type Triangular Link Suspensión de brazos longitudinales: Este tipo de suspensión posee dos brazos que se encuentran sujetos al chasis de vehículo, los cuales pueden tomar una posición perpendicular, o con un cierto ángulo que no rebase los límites de la carrocería del vehículo; estos brazos van sujetos al sistema de amortiguamiento y rigidez, por lo que el sistema motriz va anclado al chasis, permitiendo el pivote libre de los brazos y garantizando la independencia de cada llanta; de ser necesario se puede agregar una barra estabilizadora de torsión. Suspensión McPherson: Este tipo de suspensión suele ser el más versátil por su sencilla fabricación, su fácil mantenimiento y poco espacio; en este sistema se tiene un brazo paralelogramo (tijeras), el cual pivota sobre la parte inferior de chasis, y
tiene como punto principal de apoyo, el amortiguador, cerca de la unión de la rueda; por lo cual, es necesario garantizar una buena resistencia al esfuerzo en los puntos de anclaje del amortiguador; este sistema permite además una barra de estabilización. Suspensión de triángulos superpuestos (Tijeras): Este sistema, al igual que el Mcpherson, es uno de los más utilizados por su facilidad de montaje y mantenimiento; consta de dos tijeras superpuestas, unidas a la mangueta de la llanta y el chasis con rotulas o uniballs, los cuales permiten su puesta a punto en cualquier grado de libertad de trabajo; suele salir el sistema de amortiguación y resorte del pivote de la mangueta hacia el chasis, por lo que también es necesario una alta resistencia al esfuerzo donde se encuentre anclado. Componentes de la suspensión de un monoplaza tipo formula Brazos o Tijeras: Las tijeras o brazos, son los soportes de unión entre el chasis y la rueda, estos pueden fabricarse de diferentes materiales que van desde el convencional Astm A36, hasta materiales compuestos usados en los vehículos fórmula uno; es necesario que los brazos estén diseñados para soportar esfuerzos de compresión y tensión, sin pasar por alto el pandeo, debido a que las cargas cíclicas no superan el 10^3 ciclos; no es necesario usar un análisis de fatiga, basta con un análisis estructural para definir la mínima geometría posible, que garantice el cumplimiento óptimo de su función. Anclajes: Este elemento es de suma importancia, debido a que él será la interfaz de transmisión de carga entre el suelo, las llantas, los brazos y el chasis; es importante realizar un análisis estructural para tomar la decisión sobre el material más adecuado, teniendo muy en cuenta la relación esfuerzo/peso, pues este sería uno de los últimos componentes que deberían fallar en una competencia. 10
Resortes: Es importante tener en cuenta bajo qué condiciones va a actuar la suspensión, esto, con el fin de elegir un buen resorte que se adecúe a las propiedades requeridas por los cálculos; para esto, se encuentra una gran variedad en el mercado, que van desde 200 hasta 1000 libras por pulgada. Amortiguadores: Un sistema de suspensión no está completo si no posee un par de amortiguadores, los cuales absorben las oscilaciones producidas por la energía liberada por los resortes; de igual forma que la selección de los resortes, es necesario encontrar uno que se adecúe a las condiciones de los cálculos predeterminados para un desempeño deseado; cabe resaltar que dentro de la gama ofertada en el mercado, encontramos amortiguados por aire y aceite, así como otros gases y fluidos. Rotulas o Uniballs: Estos elementos son vitales para la puesta a punto de las tijeras dentro del montaje de la suspensión, debido a que por sus características, permite que el sistema sea manipulable y maniobrable, en tantos grados de libertad como se desee; sin embargo, hay que tener en cuenta las especificaciones de esfuerzo máximo del catálogo, para garantizar que se comporte como se espera. Barras push o pull: Son barras de interacción con el sistema de amortiguación remoto, su componente resulta sumamente necesario en la suspensión de un vehículo tipo formula, pues, estas trasladan las fuerzas de las llantas hacia el núcleo donde se encuentra el amortiguador; dentro de este sistema caben dos clasificaciones: las barras push, que trabajan a compresión con se ve en la figura, y las pull que trabajan a tracción. 11
Barras de estabilización: Este tipo de barras se usa para trasladar las cargas producidas en las ruedas de una a la otra, con el fin de estabilizar el vehículo en una curva, es decir, si el monoplaza toma una curva con un radio de curvatura moderado, y una velocidad moderada, la llanta lateral utiliza más carga que la interior, por lo que parte de esta fuerza lateral es trasladada a la interior, para así mantener el agarre en esta llanta y evitar un posible derrape, o simplemente, devolver a su estado original la suspensión como se ve en la parte delantera de la figura; por lo general consta de una sencilla barra de acero que trabaja como un resorte de torsión. Rockets y balancines: Son piezas de articulación dentro de la suspensión, los cuales permiten el cambio de dirección angular de las fuerzas, y dirigirlas hacia el sistema de amortiguación, por lo general son hechos de materiales livianos, aunque deben tener su estudio estructural para garantizar que no habrá falla, y que puedan cumplir con su labor satisfactoriamente. 12
GENERALIDADES DE LA SUSPENSIÓN DE UN VEHÍCULO BIBLIOGRAFÍA BIBLIOGRAFÍA Aficionados a la Mecánica. (2014). Verificación de las Ballestas de Suspensión. Recuperado el 22 de Septiembre de 2014, de Aficionados a la Mecánica: http://goo.gl/yso7xd ARAYA. (2014). Resortes de Compresión. Recuperado el 22 de Septiembre de 2014, de resortesaraya.cl: http://goo.gl/lxd1yn Automecanico.com. (Agosto de 2014). Suspensión Trasera Independiente. Recuperado el 23 de Septiembre de 2014, de automecanico.com: http://goo.gl/aqf81b autospeed. (2014). 2007 Rueda trasera RoadRazer Wallpaper Suspensión 1920 x1440. Recuperado el 22 de Septiembre de 2014, de autospeed. co: http://goo.gl/vvspps Coches.net. (2013). Eje Semi-rígido con Barra de Torsión. Recuperado el 23 de Septiembre de 2014, de debates.coches.net: http://goo. gl/1rhav9 González, A. (17 de Abril de 2013). Amortiguadores. Recuperado el 22 de Septiembre de 2014, de albertogonzaleztumecanico.com: http:// goo.gl/0dmpqq González, A. (17 de Abril de 2013). Rótulas. Recuperado el 22 de Septiembre de 2014, de albertogonzaleatumecanico.com: http:// goo.gl/gokhwz Gutierrez Quispe, D. (11 de Marzo de 2013). Sistema de Suspensión, Dirección y Frenos. Recuperado el 23 de Septiembre de 2014, de monografias.com: http://goo.gl/n0yfmr joseluisautomoción. (10 de Enero de 2008). El Sistema Citroën Control Activo del Balanceo SC CAR. Recuperado el 22 de Septiembre de 2014, de joseluisautomoción.blogia.com: http://goo.gl/pxlt2d km77.com. (15 de Diciembre de 2000). Barra Estabilizadora. Recuperado el 23 de Septiembre de 2014, de km77.com: http://www.km77. com/tecnica/bastidor/estabilizadora/texto.asp 13 1 FAVA Formación en Ambientes Virtuales de Aprendizaje SENA Servicio Nacional de Aprendizaje
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GLOSARIO Amortiguador: Elemento neumático u oleo hidráulico encargado de absorber la energía liberada por el sistema de resortes, generalmente aplicado en una suspensión. Ballesta: Elemento mecánico encargado de almacenar energía y vibraciones mecánicas obtenidas por medio de una superposición de hojas cóncavas de dimensiones graduales. Monoplaza: Vehículo de un solo pasajero, generalmente usado para competencia. Monoshock: Sistema de amortiguación; tiene como finalidad el reemplazo del doble amortiguador por uno sólo. Rockets: Elemento mecánico encargado de transportar la carga angularmente, el cual tiene un pivote y trabaja bajo el principio del triángulo rotacional. Suspensión: Elemento mecánico encargado de absorber las irregularidades del terreno sobre un vehículo. Tijeras: Elemento mecánico encargado de unir el chasis y las ruedas, dándole soporte a la suspensión de forma independiente. 15
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