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La suspensión es el sistema de neumáticos , neumáticos, resortes , amortiguadores y varillajes que conecta un vehículo a sus ruedas y permite el movimiento relativo entre ambos. [1] Los sistemas de suspensión deben soportar tanto el agarre/ manejo en carretera como la calidad de marcha , [2] que están en desacuerdo entre sí. La puesta a punto de las suspensiones implica encontrar el compromiso adecuado. Es importante que la suspensión mantenga la rueda 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 el propio vehículo y 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 carros tirados por bueyes hacía que la plataforma se balanceara sobre cadenas de hierro unidas al marco de ruedas del carruaje. 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 en el siglo XVII. Ningún automóvil moderno ha utilizado el sistema de suspensión integral.
Aproximadamente en 1750, comenzaron a aparecer ballestas en ciertos tipos de vagones, como el Landau . [3]
A mediados del siglo XIX, es posible que también se empezaran a utilizar muelles elípticos en los vagones.
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Los automóviles se desarrollaron inicialmente como versiones autopropulsadas de vehículos tirados por caballos. Sin embargo, los vehículos tirados por caballos habían sido diseñados para velocidades relativamente lentas y su suspensión no se adaptaba bien a las velocidades más altas permitidas por el motor de combustión interna.
La primera suspensión de resorte viable requirió conocimientos y habilidades metalúrgicos avanzados, y sólo fue posible con el advenimiento de la industrialización . Obadiah Elliott registró la primera patente para un vehículo con suspensión de resorte; cada rueda tenía dos ballestas de acero duraderas a cada lado y el cuerpo del carro estaba fijado directamente a los resortes que estaban sujetos a los ejes . En una década, la mayoría de los carruajes de caballos británicos estaban equipados con resortes; muelles de madera en el caso de vehículos ligeros de un solo caballo para evitar impuestos , y muelles de acero en vehículos más grandes. A menudo estaban fabricados de acero con bajo contenido de carbono y normalmente adoptaban la forma de ballestas de varias capas. [4]
Las ballestas han existido desde los primeros egipcios . Los antiguos ingenieros militares utilizaban 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 puso en funcionamiento años después. Los resortes no sólo estaban hechos de metal; Se podría utilizar una rama de árbol resistente como resorte, por ejemplo con un arco. Los carruajes tirados por caballos y el Ford Modelo T utilizaban este sistema, y todavía se utiliza 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 , presagiaron 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 difíciles carreteras estadounidenses de la época, por lo que Abbot-Downing Company de Concord, New Hampshire reintrodujo la suspensión con correas de cuero, que proporcionaba un movimiento oscilante en lugar del sacudidas hacia arriba y hacia abajo 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 amortiguado en su 'Mors Machine', Henri Fournier ganó la prestigiosa carrera París-Berlín el 20 de junio de 1901. El tiempo superior de Fournier fue de 11 h 46 min 10 s, 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 sobre 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 . Esto tiene la capacidad de aumentar la inercia efectiva de la suspensión de las ruedas mediante un volante dentado, pero sin agregar una masa significativa. Inicialmente se utilizó en secreto en la Fórmula Uno , pero desde entonces se ha extendido al deporte del motor en general.
Para los automóviles con tracción delantera , la suspensión trasera tiene pocas limitaciones y se utiliza una variedad de ejes de viga y suspensiones independientes . Para los automóviles con tracción trasera , la suspensión trasera tiene muchas limitaciones, y el desarrollo de un diseño de suspensión independiente superior, pero más caro, ha sido difícil. [ cita necesaria ]
El Modelo T de Henry Ford utilizó 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 verdadero eje de transmisión y ejercía la fuerza sobre su rótula en el extremo trasero de la transmisión, que estaba unida al motor. Un método similar como este fue utilizado a finales de la década de 1930 por Buick y por el vagón bañera de Hudson en 1948, que utilizaba resortes helicoidales que no podían soportar el empuje hacia adelante y hacia atrás.
La propulsión Hotchkiss , inventada por Albert Hotchkiss, fue el sistema de suspensión trasera más popular utilizado en los automóviles estadounidenses desde los años 1930 hasta los años 1970. El sistema utiliza ballestas longitudinales unidas tanto delante como detrás del diferencial del eje vivo . Estos resortes transmiten torque al marco. Aunque despreciado por muchos fabricantes de automóviles europeos de la época, fue aceptado por los fabricantes de automóviles estadounidenses porque era económico de fabricar. Además, los defectos dinámicos de este diseño fueron suprimidos por el enorme peso de los vehículos de pasajeros estadounidenses antes de la implementación del estándar Corporate Average Fuel Economy (CAFE).
Otro francés inventó el tubo De Dion , que a veces se llama "semiindependiente". Al igual que la verdadera suspensión trasera independiente, emplea dos juntas universales , o su equivalente, desde el centro del diferencial hasta cada rueda. Pero las ruedas no pueden subir y bajar enteramente independientemente unas de otras; están atados por un yugo que rodea el diferencial, por debajo y por detrás del mismo. Este método ha tenido poco uso en los Estados Unidos . Su uso hacia 1900 se debió probablemente 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, las hizo durar más. [ cita necesaria ]
Hoy en día, los vehículos con tracción trasera utilizan con frecuencia una suspensión multibrazo totalmente independiente y bastante compleja para ubicar las ruedas traseras de forma segura y, al mismo tiempo, proporcionar una calidad de marcha decente . [ cita necesaria ]
La tasa de resorte (o tasa de suspensión) es un componente para establecer la altura de manejo del vehículo o su ubicación en la carrera de la suspensión. Cuando un resorte se comprime o estira, la fuerza que ejerce es proporcional a su cambio de longitud. La velocidad del resorte o constante del 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 el vehículo hasta el final 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 logran aislar 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 resultar incómodo para los pasajeros debido a su alta tasa de resorte en relación con el peso del vehículo. También se podría decir que un coche de carreras tiene muelles pesados y que además tendría muchos baches que resultarían incómodos. Sin embargo, aunque decimos que ambos tienen resortes pesados, las tasas de resorte reales para un auto de carreras de 910 kg (2000 lb) y una camioneta de 4500 kg (10 000 lb) son muy diferentes. Un automóvil de lujo, un taxi o un autobús de pasajeros se describiría como si tuviera resortes blandos, para la comodidad de sus pasajeros o del conductor. Los vehículos con resortes desgastados o dañados viajan más cerca del 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 índice 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 la tasa de resorte únicamente.
La velocidad de la rueda suele ser igual o considerablemente menor que la velocidad del resorte. Comúnmente, los resortes están montados en brazos de control, brazos oscilantes o algún otro miembro de suspensión pivotante. Considere el ejemplo anterior, donde se calculó que la velocidad del resorte era 500 lbs/pulgada (87,5 N/mm), si uno moviera la rueda 1 pulgada (2,5 cm) (sin mover el automóvil), lo más probable es que el resorte se comprima. una cantidad menor. Si el resorte se moviera 19 mm (0,75 pulgadas), la relación del brazo de palanca sería 0,75:1. La velocidad de la rueda se calcula tomando el cuadrado de la relación (0,5625) multiplicada por la velocidad del resorte, obteniendo así 281,25 lbs/pulgada (49,25 N/mm). La relación se eleva al cuadrado porque tiene dos efectos sobre la velocidad de la rueda: se aplica tanto a la fuerza como a la distancia recorrida.
La velocidad de las ruedas con suspensión independiente es bastante sencilla. Sin embargo, se debe tener especial consideración con algunos diseños de suspensión no independientes. Tomemos el caso del eje recto. Cuando se ve desde la parte delantera o trasera, la velocidad de la rueda se puede medir con los medios anteriores. Sin embargo, debido a que las ruedas no son independientes, cuando se ve desde un lado al acelerar o frenar, el punto de pivote está en el infinito (porque ambas ruedas se han movido) y el resorte está directamente alineado con la zona de contacto de la rueda. El resultado es a menudo que la velocidad efectiva de las ruedas en las curvas es diferente de la que hay al acelerar y frenar. Esta variación en la velocidad de la rueda se puede minimizar ubicando el resorte lo más cerca posible de la rueda.
Las velocidades de las ruedas generalmente se suman y se comparan con la masa suspendida de un vehículo para crear una "velocidad de marcha" y la correspondiente frecuencia natural de suspensión en marcha (también conocida como "empuje"). 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, lo que hace que la masa suspendida de un vehículo ruede. Se expresa como par por grado de balanceo de la masa suspendida del vehículo. Está influenciado por factores que incluyen, entre otros, la masa suspendida del vehículo, el ancho de vía, la altura del centro de gravedad, las tasas de resorte y amortiguador, las alturas del centro de balanceo delantero y trasero, la rigidez de la barra estabilizadora y la presión/construcción de los neumáticos. La velocidad de balanceo de un vehículo puede diferir, y generalmente lo hace, de adelante hacia atrás, 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 peso transferido al vehículo, pero cambia la velocidad y el porcentaje de peso transferido de 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 rápida y mayor será el porcentaje de transferencia de peso en ese eje . [ cita necesaria ]
Para 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, manejar el equilibrio. Es la velocidad efectiva de las ruedas, en balanceo, de cada eje del vehículo como proporción de la velocidad de balanceo total del vehículo. Generalmente se ajusta 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 por rueda individual y se compara con los pesos estáticos de las mismas ruedas.
La cantidad total de transferencia de peso sólo se ve afectada por cuatro factores: la distancia entre los centros de las ruedas (distancia entre ejes en el caso de una frenada, o ancho de vía en el caso de las 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; incluyendo, entre otros: altura del centro de balanceo, índices de resortes y amortiguadores, rigidez de la barra estabilizadora y diseño cinemático de los eslabones 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 eslabones de suspensión más rígidos, como como brazos en forma de A y eslabones para los pies, 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. Luego se supone (a efectos de cálculo) que estos componentes están conectados a un vehículo con peso suspendido cero. Luego se les somete a las mismas cargas dinámicas.
La transferencia de peso para tomar curvas en la parte delantera sería igual al peso delantero no suspendido total multiplicado por la fuerza G multiplicada por la altura del centro de gravedad delantero no suspendido dividido por el ancho de vía delantero. Lo mismo ocurre con la parte trasera.
La transferencia de peso suspendido es el peso transferido únicamente por el peso del vehículo que descansa sobre sus resortes, y no por el peso total del vehículo. Calcular esto requiere conocer el peso suspendido del vehículo (peso total menos el peso no suspendido), las alturas del centro de balanceo delantero y trasero, y la altura del centro de gravedad suspendido (utilizada para calcular la longitud del brazo de momento de balanceo). Para calcular la transferencia de peso de los resortes delanteros y traseros también será necesario conocer el porcentaje de par de balanceo.
El eje de balanceo es la línea que pasa por los centros de balanceo delantero y trasero sobre la cual gira el vehículo durante 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 multiplicada por la longitud del brazo de momento de balanceo dividida por el ancho efectivo de vía. La transferencia de peso del resorte delantero se calcula multiplicando el porcentaje del par de rodillos por la transferencia total del peso del resorte. La parte trasera es el total menos la transferencia delantera.
Las fuerzas de elevación son la suma de los componentes de la fuerza vertical experimentada por los eslabones de suspensión. La fuerza resultante actúa para levantar la masa suspendida, si el centro de balanceo está sobre el suelo, o comprimirla, si está bajo tierra. Generalmente, cuanto más alto es el centro de balanceo , más fuerza de elevación se experimenta.
El recorrido es la medida de la distancia desde la parte inferior de la carrera de suspensión (como cuando el vehículo está sobre un gato y la rueda cuelga libremente) hasta la parte superior de la carrera de suspensión (como cuando la rueda del vehículo ya no puede viajar en una dirección ascendente hacia el vehículo). Tocar fondo o levantar una rueda puede causar graves problemas de control o causar directamente daños. "Tocar fondo" puede deberse a que la suspensión, los neumáticos, los guardabarros, etc. se quedan sin espacio para moverse, o que la carrocería u otros componentes del automóvil 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 miembros 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 destinados a circular por terrenos muy accidentados a altas velocidades e incluso, en ocasiones, volar. Sin algo que limite el recorrido, los casquillos de suspensión tomarían toda la fuerza, cuando la suspensión alcance la "caída total", e incluso puede causar que los resortes helicoidales se salgan de sus "cubos", si se mantienen 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 hacia abajo en un punto preestablecido antes de alcanzar el recorrido máximo teórico. Lo opuesto a esto es el "bump-stop", que protege la suspensión y el vehículo (así como a los ocupantes) del violento "toque fondo" de la suspensión, causado cuando una obstrucción (o un aterrizaje brusco) hace que la suspensión se mueva. fuera del recorrido ascendente sin absorber completamente la energía del golpe. Sin topes, 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 transfiere a los ocupantes y a cada conector y soldadura del vehículo. Los vehículos de fábrica a menudo vienen con "protuberancias" de goma simples para absorber la peor de las fuerzas y aislar el impacto. Un vehículo de carreras en el desierto, que habitualmente debe absorber fuerzas de impacto mucho mayores, podría estar provisto de topes neumáticos o hidroneumáticos. Estos son esencialmente amortiguadores en miniatura (amortiguadores) que se fijan al vehículo en una ubicación 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 goma sólido, lo esencial, porque un tope de goma se considera un aislante de emergencia de "último recurso" para el ocasional tope accidental de la suspensión; es completamente insuficiente para absorber los impactos repetidos y fuertes, como los que encuentra un vehículo todoterreno a alta velocidad.
La amortiguación es el control del movimiento u oscilación, como se ve con el uso de compuertas y válvulas hidráulicas en el amortiguador de un vehículo. Esto también puede variar, intencionalmente o no. Al igual que la tasa de 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 automóvil no amortiguado oscilará hacia arriba y hacia abajo. Con niveles de amortiguación adecuados, el coche volverá a su estado normal en un tiempo mínimo. La mayor parte de la amortiguación en los vehículos modernos se puede controlar aumentando o disminuyendo la resistencia al flujo de fluido en el amortiguador.
Ver dependiente e independiente a continuación.Cambios de inclinación debido al recorrido de las ruedas, el balanceo de la carrocería y la deflexión o cumplimiento del sistema de suspensión. En general, un neumático se desgasta y frena mejor entre -1 y -2° de inclinación respecto de la vertical. Dependiendo del neumático y de la superficie de la carretera, es posible que se mantenga 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 carreras están ajustados con una inclinación de -2 a -7°, según el tipo de manejo deseado y la construcción de los neumáticos. A menudo, demasiada curvatura dará como resultado una disminución del rendimiento de frenado debido a un tamaño reducido de la zona de contacto debido a una variación excesiva de la curvatura en la geometría de la suspensión. La cantidad de cambio de inclinación en un bache está determinada por la longitud instantánea de la geometría de la suspensión del brazo oscilante de vista frontal (FVSA), 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 centrales instantáneas 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 al hecho de que el movimiento de la rueda y el neumático está limitado por los eslabones de suspensión del vehículo, el movimiento del paquete 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 paquete de ruedas se puede encontrar siguiendo líneas imaginarias dibujadas a través de eslabones 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 más grande sea este componente, menos movimiento de suspensión se producirá. Teóricamente, 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 suspensión no se moverán. En este caso, toda transferencia de peso en ese extremo del vehículo será de naturaleza geométrica. Esta es también información clave que se utiliza para encontrar el centro de balanceo basado en la fuerza.
A este respecto, los centros instantáneos son más importantes para el manejo del vehículo que el centro de balanceo cinemático solo, en el sentido de 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.
Anti-hundimiento y anti-hundimiento son porcentajes que indican el grado en que el frente se hunde al frenar y el trasero se agacha al acelerar. Se pueden considerar como las contrapartes para el frenado y la aceleración, como lo son las fuerzas del gato en las curvas. La razón principal de la diferencia se debe a los diferentes objetivos de diseño entre la suspensión delantera y trasera, mientras que la suspensión suele ser simétrica entre la izquierda y la derecha del vehículo.
El método para determinar el antihundimiento o el antihundimiento depende de si los varillajes de la suspensión reaccionan al par de frenado y aceleración. Por ejemplo, con frenos internos y ruedas traseras impulsadas por medio eje, los varillajes de suspensión no reaccionan, pero con frenos externos y una línea motriz de eje oscilante, sí lo hacen.
Para determinar el porcentaje de antihundimiento de frenado de la suspensión delantera para frenos externos, primero es necesario determinar la tangente del ángulo entre una línea trazada, en vista lateral, a través del parche del neumático delantero y el centro instantáneo de la suspensión delantera, y la línea horizontal. . Además, es necesario conocer el porcentaje de esfuerzo de frenado en las ruedas delanteras. Luego, multiplique la tangente por el porcentaje de esfuerzo de frenado de la rueda delantera y divida 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 mitad se transmite a través de los resortes de la suspensión delantera.
Para los frenos interiores, se sigue el mismo procedimiento, pero utilizando el centro de la rueda en lugar del centro del parche de contacto.
La aceleración anti-sentadilla hacia adelante se calcula de manera similar y con la misma relación entre porcentaje y transferencia de peso. Los valores anti-sentadilla del 100 % o más se utilizan comúnmente en las carreras de resistencia, pero los valores del 50 % o menos son más comunes en los automóviles que tienen que realizar frenadas bruscas. Los valores más altos de anti-squat comúnmente causan que las ruedas salten durante el frenado. Es importante tener en cuenta que el valor de 100% significa que toda la transferencia de peso se realiza a través del varillaje de suspensión. Sin embargo, esto no significa que la suspensión sea incapaz de soportar cargas adicionales (aerodinámicas, en curvas, etc.) durante un episodio de frenada o aceleración hacia adelante. En otras palabras, no debe implicarse ninguna "consolidación" de la suspensión. [10]
En algunos automóviles modernos, la flexibilidad reside principalmente en los casquillos de goma , que están sujetos a deteriorarse con el tiempo. Para suspensiones de alta tensión, como las de vehículos todoterreno, se encuentran disponibles casquillos de poliuretano, que ofrecen más 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 piezas estructurales, como al acelerar y girar bruscamente. La flexibilidad de estructuras, como marcos y eslabones 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 tiempos en que los automóviles tenían suspensiones menos avanzadas.
Los automóviles pueden estar muy cargados de equipaje, pasajeros y remolques. Esta carga hará que la cola 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. La suspensión autonivelante contrarresta esto inflando los cilindros de la suspensión para elevar el chasis. [11]
Para la mayoría de los propósitos, el peso de los componentes de la suspensión no es importante. Pero en las altas frecuencias causadas por la rugosidad de la superficie de la carretera, las piezas aisladas por casquillos de goma actúan como un filtro de múltiples etapas para suprimir el ruido y la vibración mejor que lo que se puede hacer solo con neumáticos y resortes. (Los resortes funcionan principalmente en dirección vertical).
Suelen ser pequeños, excepto que la suspensión está relacionada con la suspensión de los frenos y los diferenciales.
Ésta es la principal ventaja funcional de las ruedas de aluminio sobre las de acero. Se han utilizado piezas de suspensión de aluminio en los automóviles de producción y piezas de suspensión de fibra de carbono son comunes en los autos de carreras.
Los diseños difieren en cuanto a cuánto espacio ocupan y dónde se ubican. Generalmente se acepta que los puntales MacPherson son la disposición más compacta para vehículos con motor delantero, donde se requiere espacio entre las ruedas para colocar el motor.
Los frenos internos (que reducen el peso no suspendido) probablemente se eviten más por consideraciones de espacio que por costo.
El accesorio de suspensión debe coincidir con el diseño del marco en geometría, resistencia y rigidez.
Ciertos vehículos modernos tienen suspensión ajustable en altura para mejorar la aerodinámica y la eficiencia del combustible. Los autos de fórmula modernos que tienen ruedas y suspensión expuestas generalmente usan tubos aerodinámicos en lugar de simples tubos redondos para sus brazos de suspensión para reducir la resistencia aerodinámica . También es típico el uso de suspensiones tipo balancín, varilla de empuje o varilla de tracción que, entre otras cosas, colocan la unidad de resorte/amortiguador dentro y fuera de la corriente de aire para reducir aún más la resistencia del aire.
Los métodos de producción mejoran, pero el costo siempre es un factor. El ejemplo más evidente parece ser el mantenimiento del eje trasero macizo, con diferencial no suspendido, especialmente en vehículos pesados.
La mayoría de las suspensiones convencionales utilizan resortes pasivos para absorber impactos y amortiguadores (o amortiguadores) para controlar los movimientos de los resortes.
Algunas excepciones notables son los sistemas hidroneumáticos , que pueden ser tratados como una unidad integrada de resorte de gas y componentes de amortiguación, utilizados por el fabricante francés Citroën ; y los sistemas hidrolásticos , de hidragas y de conos de caucho 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 se suspenden 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 (por lo demás simples armónicos) de un vehículo hacia arriba y hacia abajo sobre sus resortes. También deben amortiguar gran parte del rebote de la rueda cuando el peso no suspendido de una rueda, el cubo, el eje y, a veces, los frenos y el diferencial rebotan hacia arriba y hacia abajo debido a la elasticidad de un neumático.
Si la suspensión se controla 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 distancia del suelo debe estar el coche y se reinicia 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 aproximadamente un 1% al coste del coche en comparación con los resortes pasivos de acero.
Las suspensiones semiactivas incluyen dispositivos, como cámaras de aire y amortiguadores conmutables, diversas soluciones de autonivelación , así como sistemas como suspensiones hidroneumáticas , hidrolásticas y de hidragas .
Toyota introdujo amortiguadores intercambiables en el Soarer de 1983. [17] Delphi actualmente vende amortiguadores llenos de un fluido magnetorreológico , cuya viscosidad se puede cambiar electromagnéticamente, brindando así un control variable sin cambiar las válvulas, lo cual es más rápido y, por lo tanto, más efectivo.
Los sistemas de suspensión totalmente activos utilizan el monitoreo electrónico de las condiciones del vehículo, junto con los 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 han resultado bastante eficaces, pero ahora han sido prohibidos.
Nissan introdujo la suspensión activa de bajo ancho de banda alrededor de 1990 como una opción que agregaba un 20% adicional al precio de los modelos de lujo. Citroën también ha desarrollado varios modelos de suspensión activa (ver hidractiva ). Un sistema completamente activo de Bose Corporation , anunciado en 2009, utiliza motores eléctricos lineales [18] [19] [20] [21] [22] en lugar de 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 Mercedes-Benz CL-Class tope de gama en 1999.
También se han desarrollado varias suspensiones electromagnéticas para vehículos. Los ejemplos incluyen la suspensión electromagnética de Bose y la suspensión electromagnética desarrollada por el prof. 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: modos de rebote, balanceo, cabeceo y deformación. Sin embargo, las aplicaciones de estas suspensiones avanzadas están limitadas por el costo, el embalaje, el peso, la confiabilidad y/u otros desafíos.
La suspensión interconectada, a diferencia de las suspensiones semiactivas/activas, podría desacoplar fácilmente los diferentes modos de vibración del vehículo de forma 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, aunque 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), en algunos estudios recientes también se han explorado las suspensiones hidroneumáticas interconectadas y se han demostrado sus beneficios potenciales para mejorar la conducción y el manejo del vehículo. El sistema de control también se puede utilizar para mejorar aún más el rendimiento de las suspensiones interconectadas. Aparte de la investigación académica, una empresa australiana Kinetic [24] tuvo cierto éxito con varios sistemas pasivos o semiactivos ( WRC : tres campeonatos; Rally Dakar : dos campeonatos; Lexus GX470 2004 como el 4×4 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, Tenneco compró Kinetic. Desarrollos posteriores de la empresa catalana Creuat han ideado un diseño de sistema más sencillo basado en cilindros de simple efecto. Después de algunos proyectos en competencia, Creuat se dedica a proporcionar sistemas de modernización 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. Se basó en geometrías extremas anti-hundimiento y anti-hundimiento para compensar eso. Esto resultó en una rigidez de cruce de ejes más suave que de otro modo las barras estabilizadoras habrían comprometido. El brazo oscilante del brazo delantero / brazo de arrastre , el sistema de suspensión vinculado hacia adelante y hacia atrás, junto con los frenos delanteros internos, tenían un peso no suspendido mucho más pequeño que los diseños de láminas o resortes helicoidales 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 encontró ese bache un momento después, hizo lo mismo en reversa, manteniendo el auto nivelado de adelante hacia atrás. El 2CV tenía unas instrucciones de diseño para poder circular a gran velocidad sobre un campo arado, como lo haría un granjero que transportaba huevos de gallina. Originalmente presentaba amortiguadores de fricción y amortiguadores de masa sintonizados . Los modelos posteriores tenían amortiguadores de masa ajustados en la parte delantera con amortiguadores telescópicos delante y detrás.
British Motor Corporation también fue una de las primeras en adoptar la suspensión interconectada. En 1962 se introdujo un sistema denominado Hydrolastic en la Morris 1100 y se utilizó en una variedad de modelos de BMC. Hydrolastic fue desarrollado por el ingeniero de suspensiones Alex Moulton , y usaba conos de goma como medio de resorte (estos se usaron 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, como cada unidad de suspensión contenía válvulas para restringir el flujo de líquido, también servía como amortiguador. [25] Moulton pasó a desarrollar un sustituto de 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 metálicas divididas internamente por un diafragma de goma. La mitad superior contenía gas presurizado y la mitad inferior el mismo fluido que se usa 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 marcha similar , pero es autónomo y no requiere una bomba impulsada por el motor para proporcionar presión hidráulica. La desventaja es que Hydragas , a diferencia del sistema Citroën, no es regulable en altura ni autonivelante. Hydragas se introdujo en 1973 en el Austin Allegro y se utilizó en varios modelos; el último automóvil en usarlo fue el MG F en 2002. El sistema se cambió a favor de resortes helicoidales en lugar de amortiguadores por razones de costo hacia el final de la vida útil del vehículo. Cuando fue dada de baja en 2006, la línea de fabricación de Hydragas tenía más de 40 años.
Algunos de los últimos modelos Packard de la posguerra también presentaban suspensiones interconectadas.
Los sistemas de suspensión se pueden clasificar en términos generales en dos subgrupos: dependientes e independientes. Estos términos se refieren a la capacidad de ruedas opuestas de moverse independientemente una de otra. [26] Una suspensión dependiente normalmente tiene una viga (un simple eje de 'carro') o un eje vivo (impulsado) que mantiene las ruedas paralelas entre sí y perpendiculares al eje. Cuando la curvatura de una rueda cambia, la curvatura de la rueda opuesta cambia de la misma manera (por convención, en un lado, esto es un cambio positivo en la curvatura, y en el otro lado, es un cambio negativo). Las suspensiones De Dion también pertenecen a 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 de alguna manera las ruedas, se siguen clasificando 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 viga torcida es uno de esos sistemas.
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.
Ejemplos de vínculos de ubicación incluyen:
En un vehículo con motor delantero y tracción trasera, la suspensión trasera dependiente es de "eje vivo" o deDion , dependiendo de si el diferencial se lleva 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 asegura una inclinación constante, la suspensión dependiente (y semiindependiente) es más común en vehículos que necesitan transportar grandes cargas como proporción del peso del vehículo, que tienen resortes relativamente blandos y que no utilizan (por razones de costo y simplicidad). suspensiones activas. El uso de suspensión delantera dependiente se ha limitado a 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 al girar, frenar y variar las condiciones de carga, el control de la inclinación de las ruedas es una cuestión importante. El brazo oscilante era común en los coches pequeños con suspensión suave y que podían transportar grandes cargas, porque la inclinación es independiente de la carga. Algunas suspensiones activas y semiactivas mantienen la altura de manejo y, por lo tanto, la inclinación, independientemente de la carga. En los coches deportivos , el cambio de inclinación óptimo al girar es más importante.
La horquilla y el multibrazo permiten al ingeniero tener más 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 basculante y del eje basculante.
En suspensiones semiindependientes, las ruedas de un eje pueden moverse entre sí, como en una suspensión independiente, pero la posición de una rueda tiene un efecto sobre la posición y actitud de la otra rueda. Este efecto se consigue girando o desviando las piezas de suspensión bajo carga.
El tipo más común de suspensión semiindependiente es la 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 incorporación tecnológica al sistema de suspensión convencional.
Este tipo de sistema de suspensión consiste principalmente en una suspensión independiente (p. ej., puntal MacPherson , brazo en A ( doble horquilla )). Con la adición de estos sistemas de suspensión, hay un mecanismo de inclinación o inclinación adicional 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 conductores. Al girar hacia la derecha o hacia la izquierda, los pasajeros u objetos en un vehículo sienten la fuerza G o fuerza de inercia fuera del radio de curvatura, razón por la cual los conductores de dos ruedas (motocicletas) se inclinan hacia el centro de curvatura al girar, lo que mejora la estabilidad y disminuye las posibilidades de derrumbe. Pero los vehículos de 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 de inercia hacia el exterior, 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 peralte o peralte, 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 divertidos.
Algunos trenes también utilizan suspensión basculante ( Tilting Train ) que aumenta la velocidad en las curvas.
El sistema balancín-bogie es un dispositivo de suspensión en el que hay unos brazos de arrastre equipados con unas ruedas locas. 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 por largas vías fijadas al suelo; y algunos, como tractores, vehículos de nieve y tanques, circulan sobre vías continuas que forman parte del vehículo. Aunque cualquiera de los dos tipos ayuda a suavizar el camino y reducir la presión sobre el suelo, se aplican muchas de las mismas consideraciones.
Los vehículos militares blindados de combate (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 accidentados o blandos. Sus componentes de suspensión deben estar protegidos de minas terrestres y armas antitanques . Los AFV con orugas pueden tener hasta nueve ruedas en cada lado. Muchos AFV con ruedas tienen seis u ocho ruedas grandes. Algunos tienen un sistema central de inflado de neumáticos para reducir la carga sobre el suelo en superficies en mal estado. Algunas ruedas son demasiado grandes y demasiado limitadas para girar, por lo que la dirección deslizante se utiliza con algunos vehículos con ruedas, así como con vehículos de orugas.
Los primeros tanques de la Primera Guerra Mundial tenían suspensión fija sin ningún movimiento diseñado. Esta situación insatisfactoria mejoró con suspensiones de ballestas o de muelles helicoidales adoptadas de maquinaria agrícola, automotriz o ferroviaria, pero incluso éstas tenían un recorrido muy limitado.
Las velocidades aumentaron debido a los motores más potentes y hubo que mejorar la calidad de la marcha. En la década de 1930 se desarrolló la suspensión Christie , que permitía el uso de resortes helicoidales dentro del casco blindado de un vehículo, cambiando la dirección de la fuerza deformando el resorte, mediante una palanca acodada . La suspensión del T-34 descendió directamente de los diseños de Christie.
La suspensión Horstmann era una variación que utilizaba una combinación de manivela acodada y resortes helicoidales exteriores, en uso desde la década de 1930 hasta la de 1990. Las suspensiones bogie , aunque independientes, de los vehículos M3 Lee /Grant y M4 Sherman eran similares a las del 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 la fuerza del resorte al girar las barras 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 el consiguiente Posibilidad de instalar anillos de torreta más grandes y, por tanto, 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 el nivel bajo del tanque para reducir la exposición.
Al igual que con los automóviles, el recorrido de las ruedas y la fuerza del resorte afectan la irregularidad de la marcha y la velocidad a la que se puede sortear terrenos accidentados. Puede ser significativo que una marcha suave, que a menudo se asocia con la comodidad, aumente la precisión al disparar en movimiento. También reduce los golpes en la óptica y otros equipos. El peso no suspendido y el peso del eslabón 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 superpuestas y a veces entrelazadas para distribuir la carga de manera más uniforme en la vía del tanque y, por lo tanto, en el suelo. Aparentemente, esto contribuyó significativamente a la velocidad, el alcance y la vida útil de la pista, 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 piezas 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 quedaban atrapados entre las ruedas superpuestas, lo que podía impedirles girar o dañar las ruedas de la carretera. Si una de las ruedas interiores estuviera dañada, sería necesario retirar otras ruedas para poder acceder a la rueda dañada, lo que haría que el proceso fuera más complicado y llevara más tiempo. [28]
ballesta.
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