Una ballesta es una forma simple de resorte que se usa comúnmente para la suspensión de vehículos con ruedas . Originalmente llamado resorte laminado o de carro , y a veces denominado resorte semielíptico , resorte elíptico o resorte de carro , es una de las formas más antiguas de suspensión de vehículos. Una ballesta es una o más placas delgadas, estrechas, en forma de arco que están unidas al eje y al chasis de una manera que permite que la ballesta se flexione verticalmente en respuesta a las irregularidades en la superficie de la carretera. Las ballestas laterales son la disposición más utilizada, se extienden a lo largo del vehículo y se montan perpendiculares al eje de la rueda, pero también existen numerosos ejemplos de ballestas transversales .
Las ballestas pueden cumplir múltiples funciones de suspensión: ubicación, resorte y, hasta cierto punto, también amortiguación, a través de la fricción entre láminas. Sin embargo, esta fricción no está bien controlada, lo que produce fricción y movimientos irregulares de la suspensión. Por este motivo, algunos fabricantes han utilizado ballestas mono-ballestas.
Una ballesta toma la forma de un delgado tramo de acero para resortes en forma de arco de sección transversal rectangular . En la configuración más común, el centro del arco proporciona la ubicación para el eje , mientras que los bucles formados en cada extremo permiten la fijación al chasis del vehículo. Para vehículos muy pesados, una ballesta se puede fabricar a partir de varias láminas apiladas una encima de otra en varias capas, a menudo con láminas progresivamente más cortas. La hoja más larga también se conoce como hoja principal, maestra o número 1, con hojas numeradas en orden descendente de longitud. [1] : 1–3 Los ojos al final de la ballesta se forman en la hoja maestra. [2] : 6 En general, aparte de la hoja principal, las otras hojas son ahusadas en cada extremo. [2] : 8 A veces las hojas auxiliares o de rebote forman parte del paquete de resortes principal, en cuyo caso la hoja auxiliar más cercana a la hoja principal es la No. 1, la siguiente más cercana es la No. 2, etc. [1] : 3 La las hojas están unidas entre sí a través del perno central, que está en o cerca del punto medio a lo largo de la ballesta. [2] : 8 Para garantizar que las hojas permanezcan alineadas lateralmente, se pueden utilizar varios métodos, incluyendo muescas y ranuras entre hojas o clips externos. [2] : 9–12
Se descubrió que los aceros para resortes eran más eficientes con aproximadamente un 1% de contenido de carbono. [2] : 13–15 El espesor de la hoja individual se especifica mediante el calibre Stubbs o Birmingham , con espesores típicos que oscilan entre 0,203 y 0,375 pulgadas (5,2 a 9,5 mm) (calibre 6 a 3/8 o 00). [2] : 16 El material y las dimensiones deben seleccionarse de manera que cada hoja sea capaz de endurecerse para tener una estructura completamente martensítica en toda la sección. Las aleaciones de acero para resortes adecuadas incluyen 55Si7, 60Si7, 65Si7, 50Cr4V2 y 60Cr4V2. [ dieciséis
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Los dos extremos de una ballesta generalmente tienen forma de ojos u ojales redondos, a través de los cuales un sujetador conecta cada extremo del resorte al bastidor o carrocería del vehículo . Algunos resortes terminaban en un extremo cóncavo, llamado extremo de cuchara (rara vez se usa ahora), para llevar en su lugar un miembro giratorio. Un ojo generalmente está fijo en traslación pero se le permite girar con el movimiento del resorte, mientras que el otro ojo está sujeto a un mecanismo de bisagra que permite que ese extremo gire y experimente un movimiento de traslación limitado. Una ballesta se puede unir directamente al marco en ambos ojos o directamente en un extremo, generalmente el frente, con el otro extremo sujeto a través de un grillete, un brazo oscilante corto. El grillete aprovecha la tendencia de la ballesta a alargarse cuando se comprime y, por tanto, suaviza la suspensión. El grillete proporciona cierto grado de flexibilidad a la ballesta para que no falle cuando se somete a cargas pesadas. El eje suele estar sujeto al centro del resorte mediante pernos en U. [3]
La ballesta actúa como un vínculo para mantener el eje en su posición y, por lo tanto, no son necesarios vínculos separados. El resultado es una suspensión simple y fuerte. La fricción entre las hojas amortigua el movimiento del resorte y reduce el rebote, lo que, hasta que se adoptaron ampliamente los amortiguadores , era una ventaja muy significativa sobre los resortes helicoidales. [4] Sin embargo, debido a que la ballesta también sirve para mantener el eje en su posición, los resortes blandos, es decir, resortes con una constante elástica baja, no son adecuados. La consiguiente rigidez, además del rozamiento entre láminas, hace que este tipo de suspensión no sea especialmente cómoda para los pilotos. [ cita necesaria ]
Hay una variedad de ballestas, que generalmente emplean la palabra "elípticas". Las ballestas "elípticas" o "completamente elípticas", patentadas en 1804 por el inventor británico Obadiah Elliott , se referían a dos arcos circulares unidos en sus puntas. Este se unió al marco en el centro superior del arco superior, el centro inferior se unió a los componentes de suspensión "vivos", como un eje delantero sólido. Por lo general, se necesitarían componentes de suspensión adicionales, como brazos de arrastre , para este diseño, pero no para las ballestas "semielípticas" como las que se usan en la transmisión Hotchkiss . Empleaba el arco inferior, de ahí su nombre.
Los resortes "cuarto elípticos" a menudo tenían la parte más gruesa de la pila de hojas pegada al extremo trasero de las piezas laterales de un marco de escalera corto, con el extremo libre unido al diferencial, como en el Austin Seven de la década de 1920. Como ejemplo de ballestas no elípticas, el Ford Modelo T tenía múltiples ballestas sobre su diferencial que estaban curvadas en forma de yugo . Como sustituto de los amortiguadores , algunos fabricantes colocaban láminas no metálicas entre las hojas metálicas, como por ejemplo madera.
El invento de Elliot revolucionó el diseño y la construcción de carruajes, eliminando la necesidad de un soporte pesado y haciendo que el transporte por carreteras en mal estado sea más rápido, más fácil y menos costoso. [5]
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Una implementación más moderna es la ballesta parabólica. Este diseño se caracteriza por tener menos hojas cuyo espesor varía desde el centro hasta los extremos siguiendo una curva parabólica . La intención de este diseño es reducir la fricción entre hojas, por lo que solo hay contacto entre las hojas en los extremos y en el centro, donde se conecta el eje. Los espaciadores evitan el contacto en otros puntos. Además del ahorro de peso, la principal ventaja de los resortes parabólicos es su mayor flexibilidad, lo que se traduce en una mejor calidad de marcha , acercándose a la de los resortes helicoidales; la compensación es una capacidad de carga reducida. Se utilizan ampliamente en los autobuses para mejorar la comodidad.
Otro avance de la empresa británica GKN y de Chevrolet, entre otros con el Corvette, es el cambio a ballestas de plástico compuesto. Sin embargo, debido a la falta de fricción entre hojas y otros efectos de amortiguación internos, este tipo de resorte requiere amortiguadores más potentes.
Normalmente, cuando se utiliza en la suspensión de un automóvil, la hoja soporta un eje y localiza/localiza parcialmente el eje. Esto puede provocar problemas de manejo (como "trampamiento del eje"), ya que la naturaleza flexible del resorte dificulta el control preciso de la masa no suspendida del eje. Algunos diseños de suspensión utilizan un enlace Watts (o una varilla Panhard ) y brazos radiales para ubicar el eje y no tienen este inconveniente. Estos diseños pueden utilizar resortes más blandos, lo que da como resultado una mejor conducción. Los ejemplos incluyen las diversas suspensiones traseras de los Austin-Healey 3000 y Fiat 128 .
Las primeras ballestas conocidas comenzaron a aparecer en los carruajes en Francia a mediados del siglo XVII en forma de resortes acodados de dos partes (como el ejemplo ilustrado de Lisboa), y más tarde emigraron a Inglaterra y Alemania, [6] apareciendo en los carruajes de los ricos en esos países alrededor de 1750. [2] : 1 El Dr. Richard Lovell Edgeworth recibió tres medallas de oro de la Sociedad de Artes y Fabricantes Ingleses en 1768 por demostrar la superioridad de los carruajes con resortes. En 1796, el Tratado sobre carruajes y arneses de William Felton [7] demostró que la industria de carruajes de finales del siglo XVIII comercializaba regularmente ballestas. [2] : 1
A Obadiah Elliot se le atribuye la invención de la ballesta moderna con su patente de 1804 sobre ballestas elípticas, que le reportó un importante reconocimiento e ingresos, y los ingenieros comenzaron a estudiar las ballestas para desarrollar diseños y procesos de fabricación mejorados. La mecánica y la deflexión de las ballestas fueron desarrolladas por Clark (1855), Franz Reuleaux (1861), [8] y GR Henderson (1894). [2] : 1 [9] [10] Durante la segunda mitad del siglo XIX también se desarrollaron mejores procesos de laminación de acero, instrumentos de proceso y aleaciones de acero para resortes, lo que hizo que la fabricación de ballestas fuera más consistente y menos costosa. [2] : 2
Las ballestas eran muy comunes en los automóviles hasta la década de 1970, cuando los fabricantes de automóviles cambiaron principalmente a la tracción delantera y se desarrollaron diseños de suspensión más sofisticados utilizando en su lugar resortes helicoidales . Hoy en día, las ballestas todavía se utilizan en vehículos comerciales pesados como furgonetas , camiones , SUV y vagones de ferrocarril . Para vehículos pesados, tienen la ventaja de repartir la carga más ampliamente sobre el chasis del vehículo, mientras que los resortes helicoidales la transfieren a un solo punto. A diferencia de los resortes helicoidales, las ballestas también ubican el eje trasero, eliminando la necesidad de brazos de arrastre y una varilla Panhard , ahorrando así costos y peso en una suspensión trasera de eje vivo simple . Otra ventaja de un resorte de lámina sobre un resorte helicoidal es que el extremo del resorte de lámina puede guiarse a lo largo de una trayectoria definida. En muchos camiones de finales de los 90 y principios de los 2000, la ballesta está conectada a una rótula Hinkle Beam.
La ballesta también ha tenido aplicaciones modernas en los automóviles. Por ejemplo, el Chevrolet Corvette Sting Ray de 1963 utiliza una ballesta transversal para su suspensión trasera independiente. De manera similar, el Volvo XC90 2016 tiene una ballesta transversal que utiliza materiales compuestos para su suspensión trasera, similar en concepto a la suspensión delantera del Corvette 1983 . Esta disposición utiliza una ballesta recta que está firmemente sujeta al chasis en el centro; Los extremos del resorte están atornillados a la suspensión de la rueda, lo que permite que el resorte funcione de forma independiente en cada rueda. Esta suspensión es más pequeña, plana y ligera que una configuración tradicional.
Los resortes de múltiples hojas se fabrican de la siguiente manera.
Debido a que las ballestas están hechas de acero de relativamente alta calidad, son el material favorito de los herreros . En países como India , Nepal , Bangladesh , Filipinas , Myanmar y Pakistán , donde los herreros tradicionales todavía producen una gran cantidad de herramientas del país, las ballestas de automóviles desguazados se utilizan con frecuencia para fabricar cuchillos, kukris y otras herramientas. [11] También son comúnmente utilizados por herreros aficionados y aficionados.
Las ballestas también han reemplazado a los resortes helicoidales tradicionales en algunos trampolines (conocidos como trampolines de borde blando), lo que mejora la seguridad de los usuarios y reduce el riesgo de conmoción cerebral. [12] Las ballestas están espaciadas alrededor del marco como 'patas' que se ramifican desde el marco base para suspender la lona de salto, proporcionando flexibilidad y resistencia. [13]
El "diafragma" común en los embragues de automóviles es un tipo de ballesta.
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