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La suspensión es el sistema de neumáticos , aire de los neumáticos, resortes , amortiguadores y enlaces que conecta un vehículo a sus ruedas y permite el movimiento relativo entre los dos. [1] Los sistemas de suspensión deben soportar tanto el agarre en la carretera/ manejo como la calidad de conducción , [2] que están en desacuerdo entre sí. El ajuste de las suspensiones implica encontrar el compromiso adecuado. Es importante que la suspensión mantenga la rueda de la carretera en contacto con la superficie de la carretera tanto como sea posible, porque todas las fuerzas de la carretera o del suelo que actúan sobre el vehículo lo hacen a través de las zonas de contacto de los neumáticos . La suspensión también protege al vehículo en sí y a cualquier carga o equipaje de daños y desgaste. El diseño de la suspensión delantera y trasera de un automóvil puede ser diferente.
Una de las primeras formas de suspensión de los carros tirados por bueyes consistía en que la plataforma se balanceaba sobre cadenas de hierro unidas al armazón con ruedas del carro. Este sistema siguió siendo la base de la mayoría de los sistemas de suspensión hasta principios del siglo XIX, aunque las cadenas de hierro fueron reemplazadas por el uso de correas de cuero llamadas tirantes de acero en el siglo XVII. Ningún automóvil moderno ha utilizado el sistema de suspensión de tirantes de acero.
Hacia 1750, comenzaron a aparecer ballestas en ciertos tipos de carruajes, como el Landau . [3]
A mediados del siglo XIX también se empezaron a utilizar muelles elípticos en los carruajes.
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Los automóviles fueron desarrollados inicialmente como versiones autopropulsadas de vehículos tirados por caballos. Sin embargo, estos últimos habían sido diseñados para velocidades relativamente bajas y su suspensión no era adecuada para las velocidades más altas que permitía el motor de combustión interna.
La primera suspensión de resortes funcional requirió conocimientos y habilidades metalúrgicas avanzadas, y solo se hizo posible con el advenimiento de la industrialización . Obadiah Elliott registró la primera patente para un vehículo con suspensión de resortes; cada rueda tenía dos ballestas de acero duraderas en cada lado y la carrocería del carruaje estaba fijada directamente a los resortes que estaban unidos a los ejes . En una década, la mayoría de los carruajes de caballos británicos estaban equipados con resortes; resortes de madera en el caso de los vehículos ligeros de un solo caballo para evitar impuestos , y resortes de acero en vehículos más grandes. Estos a menudo estaban hechos de acero con bajo contenido de carbono y generalmente tomaban la forma de ballestas de múltiples capas. [4]
Las ballestas han existido desde los primeros egipcios . Los ingenieros militares antiguos usaban ballestas en forma de arcos para impulsar sus máquinas de asedio , con poco éxito al principio. El uso de ballestas en catapultas se perfeccionó más tarde y se hizo funcionar años después. Los resortes no solo estaban hechos de metal; una rama de árbol resistente podía usarse como resorte, como con un arco. Los carruajes tirados por caballos y el Ford Modelo T usaban este sistema, y todavía se usa hoy en día en vehículos más grandes, principalmente montado en la suspensión trasera. [5]
Las ballestas fueron el primer sistema de suspensión moderno y, junto con los avances en la construcción de carreteras , anunciaron la mayor mejora en el transporte por carretera hasta la llegada del automóvil . [6] Los resortes de acero británicos no eran adecuados para su uso en las carreteras accidentadas de Estados Unidos de la época, por lo que la Abbot-Downing Company de Concord, New Hampshire , reintrodujo la suspensión con correas de cuero, que proporcionaba un movimiento de balanceo en lugar del movimiento de subir y bajar de la suspensión de resorte.
En 1901, Mors de París equipó por primera vez un automóvil con amortiguadores . Con la ventaja de un sistema de suspensión amortiguada en su "Máquina Mors", Henri Fournier ganó la prestigiosa carrera de París a Berlín el 20 de junio de 1901. El tiempo superior de Fournier fue de 11 horas, 46 minutos y 10 segundos, mientras que el mejor competidor fue Léonce Girardot en un Panhard con un tiempo de 12 horas, 15 minutos y 40 segundos. [7]
Los resortes helicoidales aparecieron por primera vez en un vehículo de producción en 1906, en el Brush Runabout fabricado por Brush Motor Company. Hoy en día, los resortes helicoidales se utilizan en la mayoría de los automóviles.
En 1920, Leyland Motors utilizó barras de torsión en un sistema de suspensión.
En 1922, la suspensión delantera independiente fue pionera en el Lancia Lambda , y se volvió más común en los automóviles del mercado masivo a partir de 1932. [8] Hoy en día, la mayoría de los automóviles tienen suspensión independiente en las cuatro ruedas.
La parte en la que se apoyaban los resortes anteriores a 1950 se llama hierro mudo .
En 2002, Malcolm C. Smith inventó un nuevo componente de suspensión pasiva, el inerte , que tiene la capacidad de aumentar la inercia efectiva de la suspensión de las ruedas mediante un volante de inercia con engranajes, pero sin añadir una masa significativa. Inicialmente se empleó en secreto en la Fórmula 1 , pero desde entonces se ha extendido a los deportes de motor en general.
En los vehículos con tracción delantera , la suspensión trasera tiene pocas limitaciones y se utilizan diversos ejes de viga y suspensiones independientes . En los vehículos con tracción trasera , la suspensión trasera tiene muchas limitaciones y el desarrollo de un diseño de suspensión independiente superior, pero más costoso, ha sido difícil. [ cita requerida ]
El Modelo T de Henry Ford utilizaba un tubo de torsión para limitar esta fuerza, ya que su diferencial estaba unido al chasis mediante una ballesta lateral y dos varillas estrechas. El tubo de torsión rodeaba el eje de transmisión verdadero y ejercía la fuerza sobre su rótula en el extremo trasero de la transmisión, que estaba unida al motor. Un método similar a este fue utilizado a finales de la década de 1930 por Buick y por el coche de bañera de Hudson en 1948, que utilizaba resortes helicoidales que no podían soportar el empuje hacia adelante y hacia atrás.
El sistema de suspensión trasera Hotchkiss , inventado por Albert Hotchkiss, fue el más popular en los automóviles estadounidenses desde la década de 1930 hasta la de 1970. El sistema utiliza ballestas longitudinales unidas tanto por delante como por detrás del diferencial del eje rígido . Estos resortes transmiten el par al bastidor. Aunque muchos fabricantes de automóviles europeos de la época lo despreciaron, fue aceptado por los fabricantes de automóviles estadounidenses, porque era económico de fabricar. Además, los defectos dinámicos de este diseño se suprimieron debido al enorme peso de los vehículos de pasajeros estadounidenses antes de la implementación del estándar CAFE ( Corporate Average Fuel Economy ).
Otro francés inventó el tubo De Dion , que a veces se denomina "semi-independiente". Al igual que la suspensión trasera independiente verdadera, emplea dos juntas universales , o su equivalente desde el centro del diferencial hasta cada rueda. Pero las ruedas no pueden subir y bajar completamente de forma independiente una de la otra; están unidas por un yugo que rodea el diferencial, por debajo y por detrás de él. Este método ha tenido poco uso en los Estados Unidos . Su uso alrededor de 1900 probablemente se debió a la mala calidad de los neumáticos, que se desgastaban rápidamente. Al eliminar una gran cantidad de peso no suspendido , como lo hacen las suspensiones traseras independientes, hizo que duraran más. [ cita requerida ]
En la actualidad, los vehículos con tracción trasera utilizan con frecuencia una suspensión independiente y multibrazo bastante compleja para ubicar las ruedas traseras de forma segura y, al mismo tiempo, brindar una calidad de conducción decente . [ cita requerida ]
La tasa de resorte (o tasa de suspensión) es un componente que determina la altura del vehículo o su ubicación en la carrera de la suspensión. Cuando un resorte se comprime o se estira, la fuerza que ejerce es proporcional a su cambio de longitud. La tasa de resorte o constante de resorte de un resorte es el cambio en la fuerza que ejerce, dividido por el cambio en la deflexión del resorte. Los vehículos que transportan cargas pesadas, a menudo tendrán resortes más pesados para compensar el peso adicional que de otro modo colapsaría un vehículo hasta el fondo de su recorrido (carrera). Los resortes más pesados también se utilizan en aplicaciones de alto rendimiento, donde las condiciones de carga experimentadas son más significativas.
Los resortes demasiado duros o demasiado blandos hacen que la suspensión se vuelva ineficaz, principalmente porque no aíslan adecuadamente el vehículo de la carretera. Los vehículos que comúnmente experimentan cargas de suspensión más pesadas de lo normal, tienen resortes pesados o duros, con una tasa de resorte cercana al límite superior para el peso de ese vehículo. Esto permite que el vehículo funcione correctamente bajo una carga pesada, cuando el control está limitado por la inercia de la carga. Viajar en un camión vacío destinado a transportar cargas puede ser incómodo para los pasajeros, debido a su alta tasa de resorte en relación con el peso del vehículo. Un auto de carreras también podría describirse como que tiene resortes pesados, y también sería incómodamente accidentado. Sin embargo, aunque decimos que ambos tienen resortes pesados, las tasas de resorte reales para un auto de carreras de 2,000 lb (910 kg) y un camión de 10,000 lb (4,500 kg) son muy diferentes. Un automóvil de lujo, un taxi o un autobús de pasajeros se describiría como que tiene resortes suaves, para la comodidad de sus pasajeros o conductor. Los vehículos con resortes desgastados o dañados tienen una menor altura de apoyo al suelo, lo que reduce la cantidad total de compresión disponible para la suspensión y aumenta la inclinación de la carrocería. Los vehículos de alto rendimiento a veces pueden tener requisitos de velocidad de resorte distintos del peso y la carga del vehículo.
La tasa de rueda es la tasa de resorte efectiva cuando se mide en la rueda, en lugar de simplemente medir solo la tasa de resorte.
La tasa de la rueda es generalmente igual o considerablemente menor que la tasa del resorte. Comúnmente, los resortes se montan en brazos de control, brazos oscilantes o algún otro elemento de suspensión pivotante. Considere el ejemplo anterior, donde la tasa del resorte se calculó en 500 libras/pulgada (87,5 N/mm), si uno moviera la rueda 1 pulgada (2,5 cm) (sin mover el automóvil), es más que probable que el resorte se comprima una cantidad menor. Si el resorte se moviera 0,75 pulgadas (19 mm), la relación del brazo de palanca sería 0,75:1. La tasa de la rueda se calcula tomando el cuadrado de la relación (0,5625) por la tasa del resorte, obteniendo así 281,25 libras/pulgada (49,25 N/mm). La relación se eleva al cuadrado porque tiene dos efectos en la tasa de la rueda: se aplica tanto a la fuerza como a la distancia recorrida.
La relación de velocidad de las ruedas en suspensiones independientes es bastante sencilla. Sin embargo, se debe tener especial cuidado con algunos diseños de suspensión no independientes. Tomemos el caso del eje recto. Cuando se observa desde adelante o desde atrás, la relación de velocidad de las ruedas se puede medir por los medios anteriores. Sin embargo, debido a que las ruedas no son independientes, cuando se observan desde un costado durante la aceleración o el frenado, el punto de pivote está en el infinito (porque ambas ruedas se han movido) y el resorte está directamente en línea con la zona de contacto de la rueda. El resultado es a menudo que la relación de velocidad de las ruedas efectiva en las curvas es diferente de lo que es durante la aceleración y el frenado. Esta variación en la relación de velocidad de las ruedas se puede minimizar ubicando el resorte lo más cerca posible de la rueda.
Las velocidades de las ruedas se suelen sumar y comparar con la masa suspendida de un vehículo para crear una "velocidad de marcha" y la frecuencia natural de la suspensión correspondiente (también denominada "balanceo"). Esto puede resultar útil para crear una métrica para la rigidez de la suspensión y los requisitos de recorrido de un vehículo.
La velocidad de balanceo es análoga a la velocidad de marcha de un vehículo, pero para acciones que incluyen aceleraciones laterales, que hacen que la masa suspendida de un vehículo se balancee. Se expresa como par por grado de balanceo de la masa suspendida del vehículo. Está influenciada por factores que incluyen, entre otros, la masa suspendida del vehículo, el ancho de vía, la altura del CG, las tasas de resortes y amortiguadores, las alturas del centro de balanceo de la parte delantera y trasera, la rigidez de la barra estabilizadora y la presión/construcción de los neumáticos. La velocidad de balanceo de un vehículo puede, y generalmente, difiere de la parte delantera a la trasera, lo que permite la capacidad de ajuste de un vehículo para un manejo transitorio y en estado estable. La velocidad de balanceo de un vehículo no cambia la cantidad total de transferencia de peso en el vehículo, pero cambia la velocidad y el porcentaje de peso transferido en un eje particular a otro eje a través del chasis del vehículo. Generalmente, cuanto mayor sea la velocidad de balanceo en un eje de un vehículo, más rápido y mayor será el porcentaje de transferencia de peso en ese eje . [ cita requerida ]
En 2021, algunos vehículos ofrecían control dinámico de balanceo con suspensión neumática ajustable en altura y amortiguadores adaptativos. [9]
El porcentaje de par de balanceo es un método simplificado para describir la distribución de la transferencia de carga lateral de adelante hacia atrás y, posteriormente, el equilibrio de manejo. Es la velocidad efectiva de la rueda, en balanceo, de cada eje del vehículo como una relación con la velocidad total de balanceo del vehículo. Se ajusta comúnmente mediante el uso de barras estabilizadoras , pero también se puede cambiar mediante el uso de diferentes resortes.
La transferencia de peso durante las curvas, la aceleración o el frenado generalmente se calcula para cada rueda individual y se compara con los pesos estáticos de las mismas ruedas.
La cantidad total de transferencia de peso solo se ve afectada por cuatro factores: la distancia entre los centros de las ruedas (distancia entre ejes en el caso de frenado o ancho de vía en el caso de curvas), la altura del centro de gravedad, la masa del vehículo y la cantidad de aceleración experimentada.
La velocidad a la que se produce la transferencia de peso, así como a través de qué componentes se transfiere, es compleja y está determinada por muchos factores, incluidos, entre otros: la altura del centro de balanceo, las tasas de resortes y amortiguadores, la rigidez de la barra estabilizadora y el diseño cinemático de los enlaces de suspensión.
En la mayoría de las aplicaciones convencionales, cuando el peso se transfiere a través de elementos intencionalmente flexibles, como resortes, amortiguadores y barras estabilizadoras, se dice que la transferencia de peso es "elástica", mientras que el peso que se transfiere a través de enlaces de suspensión más rígidos, como brazos A y enlaces de puntera, se dice que es "geométrico".
La transferencia de peso no suspendido se calcula en función del peso de los componentes del vehículo que no están soportados por los resortes. Esto incluye neumáticos, ruedas, frenos, ejes, la mitad del peso del brazo de control y otros componentes. A continuación, se supone (para fines de cálculo) que estos componentes están conectados a un vehículo con peso suspendido cero. Luego, se los somete a las mismas cargas dinámicas.
La transferencia de peso para tomar curvas en la parte delantera sería igual al peso total no suspendido de la parte delantera multiplicado por la fuerza G multiplicada por la altura del centro de gravedad no suspendido de la parte delantera dividido por el ancho de vía delantero. Lo mismo se aplica a la parte trasera.
La transferencia de peso suspendido es el peso transferido únicamente por el peso del vehículo que reposa sobre sus resortes, y no por el peso total del vehículo. Para calcular esto, es necesario conocer el peso suspendido del vehículo (peso total menos el peso no suspendido), las alturas de los centros de balanceo delantero y trasero, y la altura del centro de gravedad suspendido (que se utiliza para calcular la longitud del brazo de momento de balanceo). Para calcular la transferencia de peso suspendido delantero y trasero también será necesario conocer el porcentaje del par de balanceo.
El eje de balanceo es la línea que pasa por los centros de balanceo delantero y trasero y que el vehículo recorre en las curvas. La distancia desde este eje hasta la altura del centro de gravedad suspendido es la longitud del brazo de momento de balanceo. La transferencia total de peso suspendido es igual a la fuerza G multiplicada por el peso suspendido multiplicado por la longitud del brazo de momento de balanceo dividido por el ancho de vía efectivo. La transferencia de peso suspendido delantero se calcula multiplicando el porcentaje del par de balanceo por la transferencia total de peso suspendido. La parte trasera es el total menos la transferencia delantera.
Las fuerzas de elevación son la suma de los componentes de fuerza verticales que experimentan los eslabones de la suspensión. La fuerza resultante actúa para elevar la masa suspendida, si el centro de balanceo está sobre el suelo, o comprimirla, si está bajo tierra. Generalmente, cuanto más alto esté el centro de balanceo , mayor será la fuerza de elevación que se experimenta.
El recorrido es la medida de la distancia desde el punto más bajo del recorrido de la suspensión (como cuando el vehículo está sobre un gato y la rueda cuelga libremente) hasta el punto más alto del recorrido de la suspensión (como cuando la rueda del vehículo ya no puede desplazarse en dirección ascendente hacia el vehículo). Si una rueda toca fondo o se levanta, pueden producirse graves problemas de control o daños directos. El "toque fondo" puede deberse a que la suspensión, los neumáticos, los guardabarros, etc. se quedan sin espacio para moverse, o a que la carrocería u otros componentes del vehículo golpean la carretera. Los problemas de control causados por levantar una rueda son menos graves si la rueda se levanta cuando el resorte alcanza su forma sin carga que si el recorrido está limitado por el contacto de los elementos de la suspensión (consulte Triumph TR3B ).
Muchos vehículos todoterreno , como los de carreras en el desierto, utilizan correas llamadas "correas limitadoras" para limitar el recorrido descendente de las suspensiones hasta un punto dentro de límites seguros para los varillajes y los amortiguadores. Esto es necesario, ya que estos camiones están diseñados para viajar por terrenos muy accidentados a altas velocidades e incluso volar por el aire en ocasiones. Sin algo que limite el recorrido, los bujes de la suspensión absorberían toda la fuerza, cuando la suspensión alcanza la "caída total", e incluso puede hacer que los resortes helicoidales se salgan de sus "cubos", si están sujetos solo por fuerzas de compresión. Una correa limitadora es una correa simple, a menudo de nailon de una longitud predeterminada, que detiene el movimiento descendente en un punto preestablecido antes de que se alcance el recorrido máximo teórico. Lo opuesto a esto es el "tope de choque", que protege la suspensión y el vehículo (así como a los ocupantes) del violento "toque de fondo" de la suspensión, causado cuando una obstrucción (o un aterrizaje brusco) hace que la suspensión se quede sin recorrido ascendente sin absorber completamente la energía del golpe. Sin topes de suspensión, un vehículo que "toca fondo" experimentará un impacto muy fuerte cuando la suspensión entre en contacto con la parte inferior del bastidor o la carrocería, que se transmite a los ocupantes y a todos los conectores y soldaduras del vehículo. Los vehículos de fábrica suelen venir con "protuberancias" de goma simples para absorber las peores fuerzas y aislar el impacto. Un vehículo de carreras en el desierto, que debe absorber rutinariamente fuerzas de impacto mucho mayores, podría estar equipado con topes de suspensión neumáticos o hidroneumáticos. Estos son esencialmente amortiguadores en miniatura que se fijan al vehículo en una posición tal que la suspensión entrará en contacto con el extremo del pistón cuando se acerque al límite de recorrido ascendente. Estos absorben el impacto de manera mucho más efectiva que un tope de suspensión de goma sólida, esencial, porque un tope de suspensión de goma se considera un aislante de emergencia de "último recurso" para el ocasional toque de fondo accidental de la suspensión; es totalmente insuficiente para absorber el toque de fondo repetido y fuerte, como el que encuentra un vehículo todoterreno a alta velocidad.
La amortiguación es el control del movimiento o la oscilación, como se observa con el uso de compuertas y válvulas hidráulicas en los amortiguadores de un vehículo. Esto también puede variar, intencionalmente o no. Al igual que la velocidad del resorte, la amortiguación óptima para la comodidad puede ser menor que para el control.
La amortiguación controla la velocidad de desplazamiento y la resistencia de la suspensión del vehículo. Un coche sin amortiguación oscilará hacia arriba y hacia abajo. Con los niveles de amortiguación adecuados, el coche volverá a su estado normal en un tiempo mínimo. La mayoría de las amortiguaciones de los vehículos modernos se pueden controlar aumentando o disminuyendo la resistencia al flujo de fluido en el amortiguador.
Consulte dependiente e independiente a continuación. La inclinación cambia debido al recorrido de la rueda, el balanceo de la carrocería y la deflexión o cumplimiento del sistema de suspensión. En general, un neumático se desgasta y frena mejor con una inclinación de -1 a -2° desde la vertical. Dependiendo del neumático y la superficie de la carretera, puede mantenerse mejor en la carretera en un ángulo ligeramente diferente. Se pueden utilizar pequeños cambios en la inclinación, delantera y trasera, para ajustar el manejo. Algunos autos de carrera están ajustados con una inclinación de -2 a -7°, según el tipo de manejo deseado y la construcción del neumático. A menudo, demasiada inclinación dará como resultado la disminución del rendimiento de frenado debido a un tamaño reducido de la zona de contacto a través de una variación excesiva de la inclinación en la geometría de la suspensión. La cantidad de cambio de inclinación en un bache está determinada por la longitud del brazo oscilante de vista frontal instantánea (FVSA) de la geometría de la suspensión o, en otras palabras, la tendencia del neumático a inclinarse hacia adentro cuando se comprime en un bache.
La altura del centro de balanceo es un producto de las alturas instantáneas del centro de la suspensión y es una métrica útil para analizar los efectos de la transferencia de peso, el balanceo de la carrocería y la distribución de la rigidez del balanceo de adelante hacia atrás. Convencionalmente, la distribución de la rigidez del balanceo se ajusta ajustando las barras estabilizadoras en lugar de la altura del centro de balanceo (ya que ambas tienden a tener un efecto similar en la masa suspendida), pero la altura del centro de balanceo es significativa cuando se considera la cantidad de fuerzas de elevación experimentadas.
Debido a que el movimiento de la rueda y el neumático está limitado por los enlaces de suspensión del vehículo, el movimiento del conjunto de ruedas en la vista frontal trazará un arco imaginario en el espacio con un "centro instantáneo" de rotación en cualquier punto dado a lo largo de su trayectoria. El centro instantáneo de cualquier conjunto de ruedas se puede encontrar siguiendo líneas imaginarias dibujadas a través de los enlaces de suspensión hasta su punto de intersección.
Un componente del vector de fuerza del neumático apunta desde la zona de contacto del neumático hasta el centro instantáneo. Cuanto mayor sea este componente, menor será el movimiento de la suspensión. En teoría, si la resultante de la carga vertical sobre el neumático y la fuerza lateral generada por ella apunta directamente al centro instantáneo, los eslabones de la suspensión no se moverán. En este caso, toda la transferencia de peso en ese extremo del vehículo será de naturaleza geométrica. Esta es también una información clave que se utiliza para encontrar el centro de balanceo basado en la fuerza.
En este sentido, los centros instantáneos son más importantes para el manejo del vehículo que el centro de balanceo cinemático solo, ya que la relación de transferencia de peso geométrica a elástica está determinada por las fuerzas en los neumáticos y sus direcciones en relación con la posición de sus respectivos centros instantáneos.
Los porcentajes de antihundimiento y antihundimiento indican el grado en que la parte delantera se hunde al frenar y la parte trasera se hunde al acelerar. Se pueden considerar como las contrapartes del frenado y la aceleración, como las fuerzas de elevación lo son para las curvas. La razón principal de la diferencia se debe a los diferentes objetivos de diseño entre la suspensión delantera y la trasera, mientras que la suspensión suele ser simétrica entre la izquierda y la derecha del vehículo.
El método para determinar si el vehículo está en posición antihundimiento o antihundimiento depende de si los enlaces de la suspensión reaccionan al par de frenado y aceleración. Por ejemplo, con frenos internos y ruedas traseras accionadas por semieje, los enlaces de la suspensión no reaccionan, pero con frenos externos y transmisión por eje oscilante, sí lo hacen.
Para determinar el porcentaje de antihundimiento de la suspensión delantera para frenos externos, primero es necesario determinar la tangente del ángulo entre una línea dibujada, en vista lateral, a través del parche del neumático delantero y el centro instantáneo de la suspensión delantera, y la horizontal. Además, se debe conocer el porcentaje de esfuerzo de frenado en las ruedas delanteras. Luego, se multiplica la tangente por el porcentaje de esfuerzo de frenado de las ruedas delanteras y se divide por la relación entre la altura del centro de gravedad y la distancia entre ejes. Un valor del 50% significaría que la mitad del peso se transfiere a las ruedas delanteras; durante el frenado, se transmite a través del varillaje de la suspensión delantera, y la otra mitad se transmite a través de los resortes de la suspensión delantera.
Para los frenos internos, se sigue el mismo procedimiento, pero utilizando el centro de la rueda en lugar del centro del parche de contacto.
El anti-squat de aceleración hacia adelante se calcula de manera similar y con la misma relación entre el porcentaje y la transferencia de peso. Los valores de anti-squat del 100% y más se utilizan comúnmente en carreras de aceleración, pero los valores del 50% o menos son más comunes en autos que tienen que someterse a frenadas fuertes. Los valores más altos de anti-squat comúnmente causan saltos de las ruedas durante el frenado. Es importante señalar que el valor del 100% significa que toda la transferencia de peso se realiza a través del varillaje de la suspensión. Sin embargo, esto no significa que la suspensión sea incapaz de soportar cargas adicionales (aerodinámicas, en curvas, etc.) durante un episodio de frenado o aceleración hacia adelante. En otras palabras, no se debe implicar ninguna "unión" de la suspensión. [10]
En algunos automóviles modernos, la flexibilidad se encuentra principalmente en los bujes de goma , que están sujetos a deterioro con el tiempo. Para suspensiones de alta tensión, como los vehículos todoterreno, están disponibles los bujes de poliuretano, que ofrecen una mayor longevidad bajo mayores tensiones. Sin embargo, debido a consideraciones de peso y costo, las estructuras no se hacen más rígidas de lo necesario. Algunos vehículos presentan vibraciones perjudiciales que implican la flexión de las piezas estructurales, como al acelerar mientras se realiza un giro brusco. La flexibilidad de las estructuras, como los bastidores y los enlaces de suspensión, también puede contribuir a la elasticidad, especialmente para amortiguar las vibraciones de alta frecuencia. La flexibilidad de las ruedas de alambre contribuyó a su popularidad en épocas en las que los automóviles tenían suspensiones menos avanzadas.
Los automóviles pueden estar muy cargados de equipaje, pasajeros y remolques. Esta carga hará que la parte trasera del vehículo se hunda hacia abajo. Mantener un nivel constante del chasis es esencial para lograr el manejo adecuado para el que fue diseñado el vehículo. Los conductores que vienen en sentido contrario pueden quedar cegados por el haz de luz de los faros. La suspensión autonivelante contrarresta esto inflando cilindros en la suspensión para elevar el chasis. [11]
En la mayoría de los casos, el peso de los componentes de la suspensión no es importante. Sin embargo, en el caso de las altas frecuencias causadas por la rugosidad de la superficie de la carretera, las piezas aisladas por bujes de goma actúan como un filtro de varias etapas para suprimir el ruido y la vibración mejor que con solo neumáticos y resortes (los resortes funcionan principalmente en dirección vertical).
Estos suelen ser pequeños, excepto que la suspensión está relacionada con si los frenos y el diferencial(es) son de resorte.
Esta es la principal ventaja funcional de las llantas de aluminio con respecto a las de acero. Las piezas de suspensión de aluminio se han utilizado en automóviles de producción y las piezas de suspensión de fibra de carbono son comunes en los automóviles de carreras.
Los diseños difieren en cuanto al espacio que ocupan y su ubicación. En general, se acepta que los puntales MacPherson son la disposición más compacta para vehículos con motor delantero, donde se necesita espacio entre las ruedas para colocar el motor.
Los frenos internos (que reducen el peso no suspendido) probablemente se evitan más por consideraciones de espacio que por cuestiones de costo.
La fijación de la suspensión debe coincidir con el diseño del cuadro en cuanto a geometría, resistencia y rigidez.
Algunos vehículos modernos tienen suspensión regulable en altura para mejorar la aerodinámica y la eficiencia del combustible. Los coches de fórmula modernos que tienen ruedas y suspensión expuestas suelen utilizar tubos aerodinámicos en lugar de simples tubos redondos para sus brazos de suspensión para reducir la resistencia aerodinámica . También es habitual el uso de suspensiones de tipo balancín, varilla de empuje o varilla de tracción que, entre otras cosas, colocan la unidad de resorte/amortiguador hacia dentro y fuera de la corriente de aire para reducir aún más la resistencia del aire.
Los métodos de producción mejoran, pero el coste siempre es un factor. El uso continuado del eje trasero macizo, con diferencial no suspendido, especialmente en vehículos pesados, parece ser el ejemplo más evidente.
La mayoría de las suspensiones convencionales utilizan resortes pasivos para absorber los impactos y amortiguadores para controlar los movimientos de los resortes.
Algunas excepciones notables son los sistemas hidroneumáticos , que pueden considerarse como una unidad integrada de resortes de gas y componentes de amortiguación, utilizados por el fabricante francés Citroën ; y los sistemas hidrolásticos , hidragas y de cono de goma utilizados por la British Motor Corporation , sobre todo en el Mini . Se han utilizado varios tipos diferentes de cada uno:
Los resortes y amortiguadores tradicionales se denominan suspensiones pasivas: la mayoría de los vehículos están suspendidos de esta manera.
La mayoría de los vehículos terrestres están suspendidos mediante resortes de acero de estos tipos:
Los fabricantes de automóviles son conscientes de las limitaciones inherentes de los resortes de acero: estos resortes tienden a producir oscilaciones indeseables, y los fabricantes de automóviles han desarrollado otros tipos de materiales y mecanismos de suspensión en un intento por mejorar el rendimiento:
Los amortiguadores amortiguan los movimientos (que de otro modo serían armónicos simples) de un vehículo hacia arriba y hacia abajo sobre sus resortes. También deben amortiguar gran parte del rebote de las ruedas cuando el peso no suspendido de una rueda, un cubo, un eje y, a veces, los frenos y el diferencial rebotan hacia arriba y hacia abajo sobre la elasticidad de un neumático.
Si la suspensión está controlada externamente, entonces es una suspensión semiactiva o activa: la suspensión reacciona a las señales de un controlador electrónico.
Por ejemplo, un Citroën hidroneumático "sabrá" a qué altura del suelo debe estar el coche y se reajustará constantemente para alcanzar ese nivel, independientemente de la carga. Sin embargo, este tipo de suspensión no compensará instantáneamente el balanceo de la carrocería debido a las curvas. El sistema de Citroën añade alrededor de un 1% al coste del coche en comparación con los muelles de acero pasivos.
Las suspensiones semiactivas incluyen dispositivos como resortes neumáticos y amortiguadores conmutables, varias soluciones autonivelantes , así como sistemas como suspensiones hidroneumáticas , hidrolásticas e hidragas .
Toyota introdujo amortiguadores conmutables en el Soarer de 1983. [17] Actualmente, Delphi vende amortiguadores llenos de un fluido magnetoreológico , cuya viscosidad se puede cambiar electromagnéticamente, lo que proporciona un control variable sin cambiar válvulas, lo que es más rápido y, por lo tanto, más efectivo.
Los sistemas de suspensión totalmente activa utilizan la monitorización electrónica de las condiciones del vehículo, junto con medios para cambiar el comportamiento de la suspensión del vehículo en tiempo real para controlar directamente el movimiento del automóvil.
Lotus Cars desarrolló varios prototipos a partir de 1982 y los introdujo en la Fórmula Uno , donde fueron bastante efectivos, pero ahora han sido prohibidos.
Nissan introdujo la suspensión activa de bajo ancho de banda alrededor de 1990 como una opción que añadía un 20% más al precio de los modelos de lujo. Citroën también ha desarrollado varios modelos de suspensión activa (véase hydractive ). Un sistema completamente activo de Bose Corporation , anunciado en 2009, utiliza motores eléctricos lineales [18] [19] [20] [21] [22] en lugar de los actuadores hidráulicos o neumáticos que se han utilizado generalmente hasta hace poco. Mercedes introdujo un sistema de suspensión activa llamado Active Body Control en su tope de gama Mercedes-Benz CL-Class en 1999.
También se han desarrollado varias suspensiones electromagnéticas para vehículos, como la suspensión electromagnética de Bose y la suspensión electromagnética desarrollada por el profesor Laurentiu Encica. Además, la nueva rueda Michelin con suspensión integrada que funciona con un motor eléctrico también es similar. [23]
Con la ayuda de un sistema de control, varias suspensiones semiactivas/activas logran un compromiso de diseño mejorado entre los diferentes modos de vibración del vehículo, a saber: rebote, balanceo, cabeceo y deformación. Sin embargo, las aplicaciones de estas suspensiones avanzadas están limitadas por el costo, el empaque, el peso, la confiabilidad y otros desafíos.
Las suspensiones interconectadas, a diferencia de las suspensiones semiactivas/activas, pueden desacoplar fácilmente los diferentes modos de vibración del vehículo de manera pasiva. Las interconexiones se pueden realizar por diversos medios, como mecánicos, hidráulicos y neumáticos. Las barras estabilizadoras son uno de los ejemplos típicos de interconexiones mecánicas, mientras que se ha afirmado que las interconexiones fluídicas ofrecen un mayor potencial y flexibilidad para mejorar tanto la rigidez como las propiedades de amortiguación.
Teniendo en cuenta el considerable potencial comercial de la tecnología hidroneumática (Corolla, 1996), las suspensiones hidroneumáticas interconectadas también se han explorado en algunos estudios recientes, y se han demostrado sus posibles beneficios en la mejora del manejo y la conducción del vehículo. El sistema de control también se puede utilizar para mejorar aún más el rendimiento de las suspensiones interconectadas. Además de la investigación académica, una empresa australiana, Kinetic [24], tuvo cierto éxito con varios sistemas pasivos o semiactivos ( WRC : tres campeonatos; el Rally Dakar : dos campeonatos; Lexus GX470 2004 como el 4x4 del año con KDSS; el premio PACE 2005). Estos sistemas de Kinetic generalmente desacoplan al menos dos modos del vehículo (balanceo, deformación (articulación), cabeceo y/o elevación (rebote)) para controlar simultáneamente la rigidez y la amortiguación de cada modo mediante el uso de amortiguadores interconectados y otros métodos. En 1999, Kinetic fue comprada por Tenneco. Los desarrollos posteriores de la empresa catalana Creuat han permitido diseñar un sistema más sencillo basado en cilindros de simple efecto. Tras algunos proyectos de competición, Creuat se dedica a proporcionar sistemas de adaptación para algunos modelos de vehículos.
Históricamente, el primer automóvil de producción en masa con suspensión mecánica interconectada de adelante hacia atrás fue el Citroën 2CV de 1948. La suspensión del 2CV era extremadamente blanda: el enlace longitudinal suavizaba el cabeceo, en lugar de endurecer el balanceo. Para compensarlo, se basaba en geometrías extremas antihundimiento y antihundimiento. Esto dio como resultado una rigidez más suave en el cruce de ejes que, de otro modo, las barras estabilizadoras habrían comprometido. El sistema de suspensión de brazo delantero/brazo trasero , brazo oscilante , vinculado de adelante hacia atrás, junto con los frenos delanteros internos, tenía un peso no suspendido mucho menor que los diseños de resortes helicoidales o de ballestas existentes. La interconexión transmitía parte de la fuerza que desviaba una rueda delantera hacia arriba sobre un bache, para empujar la rueda trasera hacia abajo en el mismo lado. Cuando la rueda trasera se topaba con ese bache un momento después, hacía lo mismo en reversa, manteniendo el automóvil nivelado de adelante hacia atrás. El 2CV tenía como objetivo poder circular a gran velocidad por un campo arado, como por ejemplo un granjero que transportaba huevos de gallina. Originalmente, contaba con amortiguadores de fricción y amortiguadores de masa ajustados . Los modelos posteriores tenían amortiguadores de masa ajustados en la parte delantera y amortiguadores telescópicos en la parte delantera y trasera.
La British Motor Corporation también fue una de las primeras en adoptar la suspensión interconectada. En 1962 se introdujo un sistema denominado Hydrolastic en el Morris 1100 , que luego se utilizó en una variedad de modelos de BMC. El Hydrolastic fue desarrollado por el ingeniero de suspensiones Alex Moulton , y utilizaba conos de goma como medio de suspensión (se utilizaron por primera vez en el Mini de 1959 ) con unidades de suspensión en cada lado conectadas entre sí mediante un tubo lleno de líquido. El líquido transmitía la fuerza de los baches de la carretera de una rueda a la otra (según el mismo principio que el sistema mecánico del Citroën 2CV descrito anteriormente) y, dado que cada unidad de suspensión contenía válvulas para restringir el flujo de líquido, también servía como amortiguador. [25] Moulton desarrolló un reemplazo para Hydrolastic para el sucesor de BMC, British Leyland . Este sistema, fabricado bajo licencia por Dunlop en Coventry, llamado Hydragas , funcionaba con el mismo principio, pero en lugar de unidades de resorte de goma, utilizaba esferas de metal divididas internamente por un diafragma de goma. La mitad superior contenía gas presurizado y la mitad inferior el mismo fluido que el utilizado en el sistema Hydrolastic . El fluido transmitía fuerzas de suspensión entre las unidades de cada lado, mientras que el gas actuaba como medio de resorte a través del diafragma. Este es el mismo principio que el sistema hidroneumático de Citroën y proporciona una calidad de conducción similar , pero es autónomo y no requiere una bomba impulsada por el motor para proporcionar presión hidráulica. La desventaja es que , a diferencia del sistema de Citroën, Hydragas no es ajustable en altura ni autonivelante. Hydragas se introdujo en 1973 en el Austin Allegro y se utilizó en varios modelos; El último coche que lo utilizó fue el MG F en 2002. El sistema se cambió a favor de muelles helicoidales en lugar de amortiguadores por razones de costes hacia el final de la vida del vehículo. Cuando se desmanteló en 2006, la línea de fabricación de Hydragas tenía más de 40 años.
Algunos de los últimos modelos Packard de la posguerra también incorporaban suspensión interconectada.
Los sistemas de suspensión se pueden clasificar en dos subgrupos: dependientes e independientes. Estos términos se refieren a la capacidad de las ruedas opuestas de moverse independientemente una de la otra. [26] Una suspensión dependiente normalmente tiene una viga (un eje simple de "carro") o un eje vivo (accionado) que mantiene las ruedas paralelas entre sí y perpendiculares al eje. Cuando la inclinación de una rueda cambia, la inclinación de la rueda opuesta cambia de la misma manera (por convención, en un lado, este es un cambio positivo en la inclinación, y en el otro lado, este es un cambio negativo). Las suspensiones De Dion también están en esta categoría, ya que conectan rígidamente las ruedas entre sí.
La suspensión independiente permite que las ruedas suban y bajen por sí solas sin afectar a la rueda opuesta. Las suspensiones con otros dispositivos, como barras estabilizadoras que unen las ruedas de alguna manera, también se clasifican como independientes.
La suspensión semidependiente es un tercer tipo. En este caso, el movimiento de una rueda afecta la posición de la otra, pero no están unidas rígidamente entre sí. La suspensión trasera de vigas giratorias es un sistema de este tipo.
Los sistemas dependientes pueden diferenciarse por el sistema de vínculos que se utiliza para ubicarlos, tanto longitudinal como transversalmente. A menudo, ambas funciones se combinan en un conjunto de vínculos.
Algunos ejemplos de vínculos de ubicación incluyen:
En un vehículo con motor delantero y tracción trasera, la suspensión trasera dependiente puede ser de "eje vivo" o de eje deDion , según si el diferencial está o no en el eje. El eje vivo es más simple, pero el peso no suspendido contribuye al rebote de las ruedas.
Debido a que garantiza una inclinación constante, la suspensión dependiente (y semiindependiente) es más común en vehículos que necesitan transportar grandes cargas en proporción al peso del vehículo, que tienen resortes relativamente blandos y que no utilizan suspensiones activas (por razones de costo y simplicidad). El uso de la suspensión delantera dependiente se ha limitado a los vehículos comerciales más pesados.
La variedad de sistemas independientes es mayor e incluye:
Debido a que las ruedas no están obligadas a permanecer perpendiculares a una superficie plana de la carretera en las curvas, frenadas y condiciones de carga variables, el control de la inclinación de las ruedas es una cuestión importante. El brazo oscilante era común en los coches pequeños que tenían una suspensión suave y podían transportar grandes cargas, porque la inclinación es independiente de la carga. Algunas suspensiones activas y semiactivas mantienen la altura de la carrocería y, por lo tanto, la inclinación, independientemente de la carga. En los coches deportivos , el cambio óptimo de la inclinación al girar es más importante.
Los brazos oscilantes y los enlaces múltiples permiten al ingeniero un mayor control sobre la geometría para llegar al mejor compromiso que el eje oscilante, el puntal MacPherson o el brazo oscilante; sin embargo, los requisitos de costo y espacio pueden ser mayores.
El brazo semirremolque se encuentra en el medio, siendo un compromiso variable entre las geometrías del brazo oscilante y el eje oscilante.
En las suspensiones semiindependientes, las ruedas de un eje pueden moverse unas respecto de otras, como en una suspensión independiente, pero la posición de una rueda tiene un efecto sobre la posición y la posición de la otra rueda. Este efecto se consigue mediante la torsión o deflexión de las piezas de la suspensión bajo carga.
El tipo más común de suspensión semiindependiente es la de viga giratoria .
El sistema de suspensión inclinable [27] (también conocido como sistema de suspensión inclinada ) no es un tipo o geometría de construcción diferente; además, es una adición tecnológica al sistema de suspensión convencional.
Este tipo de sistema de suspensión se compone principalmente de suspensión independiente (por ejemplo, suspensión MacPherson , suspensión de brazos A ( doble horquilla )). Con la adición de estos sistemas de suspensión, hay un mecanismo adicional de inclinación o inclinación que conecta el sistema de suspensión con la carrocería del vehículo (chasis).
El sistema de suspensión basculante mejora la estabilidad, la tracción, el radio de giro de un vehículo y también la comodidad de los pasajeros. Al girar a la derecha o a la izquierda, los pasajeros u objetos de un vehículo sienten la fuerza G o fuerza inercial hacia afuera del radio de la curvatura, por lo que los conductores de vehículos de dos ruedas (motocicletas) se inclinan hacia el centro de la curvatura al girar, lo que mejora la estabilidad y disminuye las posibilidades de volcar. Pero los vehículos con más de dos ruedas y equipados con un sistema de suspensión convencional no podían hacer lo mismo hasta ahora, por lo que los pasajeros sienten la fuerza inercial hacia afuera, lo que reduce la estabilidad de los conductores y también su comodidad. Este tipo de sistema de suspensión basculante es la solución al problema. Si la carretera no tiene sobreelevaciones o peraltes, no afectará la comodidad con este sistema de suspensión, la inclinación del vehículo y la disminución de la altura del centro de gravedad con un aumento de la estabilidad. Esta suspensión también se utiliza en vehículos recreativos.
Algunos trenes también utilizan suspensión basculante ( Trilling Train ) que aumenta la velocidad en las curvas.
El sistema de balancín-bogie es un sistema de suspensión en el que hay unos brazos de arrastre equipados con unas ruedas guía. Debido a la articulación entre la sección motriz y los seguidores, esta suspensión es muy flexible. Este tipo de suspensión es apropiada para terrenos extremadamente accidentados.
Este tipo de suspensión se utilizó en el rover Curiosity .
Algunos vehículos, como los trenes, circulan sobre largas vías fijadas al suelo; y otros, como los tractores, los vehículos para nieve y los tanques, circulan sobre vías continuas que forman parte del vehículo. Aunque ambos tipos de vías ayudan a suavizar el camino y a reducir la presión sobre el suelo, se aplican muchas de las mismas consideraciones.
Los vehículos blindados de combate militares (AFV), incluidos los tanques , tienen requisitos de suspensión especializados. Pueden pesar más de setenta toneladas y deben moverse lo más rápido posible sobre terrenos muy irregulares o blandos. Sus componentes de suspensión deben estar protegidos contra minas terrestres y armas antitanque . Los AFV con orugas pueden tener hasta nueve ruedas de carretera en cada lado. Muchos AFV con ruedas tienen seis u ocho ruedas grandes. Algunos tienen un sistema de inflado de neumáticos central para reducir la carga sobre el suelo en superficies en mal estado. Algunas ruedas son demasiado grandes y están demasiado limitadas para girar, por lo que se utiliza la dirección deslizante con algunos vehículos con ruedas, así como con vehículos con orugas.
Los primeros tanques de la Primera Guerra Mundial tenían una suspensión fija sin movimiento alguno. Esta situación poco satisfactoria se mejoró con suspensiones de ballestas o de muelles helicoidales adoptadas de la maquinaria agrícola, automotriz o ferroviaria, pero incluso estas tenían un recorrido muy limitado.
La velocidad aumentó debido a los motores más potentes y la calidad de la conducción tuvo que mejorarse. En la década de 1930 se desarrolló la suspensión Christie , que permitía utilizar resortes helicoidales dentro del casco blindado de un vehículo, cambiando la dirección de la fuerza que deformaba el resorte, mediante una manivela acodada . La suspensión del T-34 descendía directamente de los diseños de Christie.
La suspensión Horstmann era una variación que utilizaba una combinación de manivela de campana y resortes helicoidales exteriores, en uso desde la década de 1930 hasta la de 1990. Las suspensiones de bogie , pero no obstante independientes, de los vehículos M3 Lee /Grant y M4 Sherman eran similares al tipo Hortsmann, con la suspensión secuestrada dentro del óvalo de la pista.
En la Segunda Guerra Mundial , el otro tipo común era la suspensión de barra de torsión , que obtenía fuerza elástica de barras de torsión dentro del casco; a veces tenía menos recorrido que el tipo Christie, pero era significativamente más compacto, lo que permitía más espacio dentro del casco, con la consiguiente posibilidad de instalar anillos de torreta más grandes y, por lo tanto, un armamento principal más pesado. La suspensión de barra de torsión, que a veces incluye amortiguadores, ha sido la suspensión dominante en vehículos blindados pesados desde la Segunda Guerra Mundial. Las barras de torsión pueden ocupar espacio debajo o cerca del piso, lo que puede interferir con la bajada del tanque para reducir la exposición.
Al igual que en los automóviles, el recorrido de las ruedas y la velocidad de los resortes afectan la irregularidad de la marcha y la velocidad a la que se puede sortear un terreno accidentado. Puede ser significativo que una marcha suave, que a menudo se asocia con la comodidad, aumente la precisión al disparar en movimiento. También reduce el impacto en la óptica y otros equipos. El peso no suspendido y el peso de los eslabones de la cadena pueden limitar la velocidad en las carreteras y pueden afectar la vida útil de la cadena del vehículo y sus otros componentes.
La mayoría de los semiorugas alemanes de la Segunda Guerra Mundial y sus tanques introducidos durante la guerra, como el tanque Panther , tenían ruedas de carretera superpuestas y a veces intercaladas para distribuir la carga de manera más uniforme en la oruga del tanque y, por lo tanto, en el suelo. Esto aparentemente hizo una contribución significativa a la velocidad, el alcance y la vida útil de la oruga, además de proporcionar una banda continua de protección. No se ha utilizado desde el final de esa guerra, probablemente debido a los requisitos de mantenimiento de partes mecánicas más complicadas que trabajan en barro, arena, rocas, nieve y hielo; así como por el costo. Las rocas y el barro congelado a menudo se atascaban entre las ruedas superpuestas, lo que podía evitar que giraran o dañar las ruedas de carretera. Si una de las ruedas de carretera interiores estaba dañada, sería necesario quitar otras ruedas de carretera para acceder a la rueda de carretera dañada, lo que haría que el proceso fuera más complicado y lento. [28]
ballesta.
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