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Suspensión del Automóvil
Para reducir los efectos
incómodos de las irregularidades del
camino, los automóviles
están dotados de un sistema de
suspensión. El objetivo de este sistema es evitar que estas
oscilaciones se transmitan a los pasajeros o la carga. Esto se
logra a través de un conjunto de uniones elásticas bien
elaboradas que constituyen el sistema
de suspensión.
El sistema de suspensión comienza en el mismo neumático,
capaz de "alisar" las irregularidades mas pequeñas del camino,
debido a su propia naturaleza elástica, y termina en el asiento,
último eslabón de la cadena camino-pasajero.
Oscilaciones
y su influencia.
Durante el movimiento de un vehículo por un camino se pueden
producir oscilaciones muy variables en cuanto a amplitud y frecuencia,
dependiendo del camino y la velocidad del vehículo.
El
fenómeno de la influencia de las oscilaciones en la
sensación de confort del viaje ha sido estudiado desde hace
mucho tiempo.
De estos estudios se ha establecido que las oscilaciones mas
perjudiciales son aquellas de baja frecuencia (entre
20 y 150 Hz) que están próximas a las frecuencias
naturales de oscilación de los órganos internos del
ser
humano. Frecuencias mas altas o mas bajas son mas tolerables,
aunque por ello no dejan de ser incómodas.
Los sistemas de suspensión de los automóviles se
diseñan
especialmente para amortiguar lo mayor posible las oscilaciones mas
perjudiciales y tratan a su vez de minimizar el efecto de todas las
otras.
Como
funciona un sistema de suspensión
Cuando se habla de suspensión, nos estamos refiriendo a un
sistema en el cual, un objeto se mantiene suspendido en el aire apoyado
o suspendido sobre una unión elástica con otro objeto que
sirve de apoyo sobre el suelo.
Todos sabemos que un cuerpo suspendido adquiere movimiento si sobre
él se realiza una fuerza, habremos podido darnos cuenta que la
velocidad que adquiere el cuerpo en un tiempo determinado
dependerá de la masa (peso) del cuerpo, así tenemos que
nos cuesta mucho esfuerzo poner en movimiento un cuerpo pesado como un
automóvil, empujándolo, mientras que con muy poco
esfuerzo podemos poner en movimiento empujando una bicicleta. Este
fenómeno de oponer resistencia al movimiento de acuerdo a la
masa se conoce como inercia.
Este fenómeno de la inercia es el que da pie a la posibilidad de
elaborar sistemas de suspensión.
Figura 1.
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El esquema de la figura 1
muestra un cuerpo pesado que representa el peso del automóvil
suspendido por un elemento elástico
(resorte) que se apoya sobre otro cuerpo mas ligero que representa los
neumáticos.
Si ahora aplicamos una fuerza vertical de corta duración al
apoyo para levantarlo, tal y como sucede cuando un cuerpo en movimiento
encuentra una protuberancia del camino, el apoyo, de poca inercia
reacciona con facilidad y se mueve en dirección vertical
copiando el perfil de la protuberancia. Pero no pasa lo mismo con el
cuerpo pesado, este ultimo ofrece un mayor resistencia al movimiento
debido a su elevada inercia,
por lo que la subida del apoyo se produce principalmente a expensas de
la contracción del resorte, reduciendo
notablemente el efecto de
subida del cuerpo pesado, no obstante el cuerpo pesado siempre se
moverá alguna cantidad. Este elemental esquema mecánico
constituye la esencia de los sistemas de suspensión.
Amortiguador
El sistema de suspensión descrito arriba adolece aun de un gran
problema.
Cuando un sistema elástico se saca de su posición de
equilibrio, es decir, se estira o encoge el resorte separando o
juntando los cuerpos, y luego se suelta, el sistema no vuelve
directamente a la posición de equilibrio, si no que comienza a
oscilar alrededor de ella, un tiempo mas o menos largo, en dependencia
de la resistencia al movimiento que encuentre. En el caso que nos
ocupa, la resistencia al movimiento del cuerpo pesado se limita a la
resistencia del aire que lo rodea y a las pérdidas internas del
material del resorte, esta resistencia es en general muy pequeña
y el sistema se mantendrá oscilando por largo tiempo.
Este efecto de oscilación por largo tiempo después de
haber sucedido el evento perturbador es a todas luces indeseado, y en
la práctica se resuelve con el uso del amortiguador.
El amortiguador es un dispositivo colocado entre el cuerpo suspendido y
el apoyo, en paralelo con el resorte, que produce una cierta
resistencia al movimiento mutuo. Esta resistencia ha sido calculada y
probada para influir poco en el fenómeno de movimiento mutuo
cuando se produce la perturbación, pero que amortigua
rápidamente la posibilidad de la oscilación natural del
sistema elástico después.
Componentes de la
suspensión
Un sistema de suspensión moderno de un vehículo de
carretera tiene los componentes siguientes:
1.- El neumático
2.- El
mecanismo de soporte.
3.- El
amortiguador.
4.- La barra
estabilizadora.
5.- Los soportes
elásticos de la carrocería.
6.- El asiento de los
pasajeros.
Todos estos elementos participan en mayor o menos grado en la
disminución de la transmisión de las oscilaciones
del camino, y/o las generadas por las partes en movimiento del propio
vehículo, a los pasajeros o a la carga. No todas
están presentes en todos los vehículos, por ejemplo,
muchas máquinas agrícolas o de la construcción de
lento andar, casi delegan toda la suspensión al asiento del
operador y a los neumáticos cuando están presentes.
El neumático
El sistema de suspensión en el automóvil comienza en el
contacto del neumático con
el camino. La propia elasticidad del
caucho relleno de aire proporciona un enlace muy
elástico capaz de moverse por un camino sin apenas
transmitir las oscilaciones de pequeña magnitud al resto del
vehículo. La presión de inflado repercute mucho en la
capacidad del neumático de evitar la transmisión de
ondulaciones al vehículo. Una presión excesiva endurece
el neumático y esta rigidez dificulta la absorción y se
empeora la suspensión.
La propia naturaleza del neumático es muy importante, así
tenemos que los de cuerdas radiales son mas elásticos que los de
cuerdas diagonales, y por tanto mejores en la suavidad de la
suspensión.
El mecanismo de soporte
Siempre, el elemento que soporta las ruedas se conecta a la
carrocería a través de un mecanismo muy elástico
que permite el movimiento relativo de las ruedas y la
carrocería,
tal y como se representa esquemáticamente en el sistema de
suspensión elemental tratado arriba como un resorte. Este
mecanismo en la práctica tiene dos diseños básicos.
1.- Eje de carga
transversal con una rueda en cada extremo,
unido a la carrocería a través de un elemento
elástico de soporte de carga.
2.- Mecanismo
trapezoidal independiente por cada rueda, unido a
la carrocería a través de un elemento elástico de
soporte de carga. (conocido como suspensión independiente).
Este elemento elástico de unión puede tener diferente naturaleza como
veremos mas abajo, no obstante de ahora en adelante se le
llamarán muelles.
En la descripción del sistema elemental de suspensión
descrito mas arriba se ha anotado la importancia de que el elemento de
apoyo sea sustancialmente mas ligero que el elemento suspendido,
mientras mas grande sea la masa suspendida en relación a la masa
de apoyo, mejor serán absorbidas las irregularidades del
terreno.
Por eso los fabricantes de automóviles tratan de aligerar lo mas
posible las partes del automóvil que corresponden al mecanismo
de suspensión es decir las que están por debajo de los
muelles. Estos elementos serían los propios neumáticos,
los mecanismos de montaje de las ruedas, los frenos y los ejes o
mecanismos de carga.
Muelles
Los muelles, son con mucho, el elemento mas importante en la
absorción de las irregularidades del terreno, estos elementos
elásticos que hemos convenido en llamar muelles pueden ser:
1.- Resortes de acero en espiral.
2.- Resortes de acero
en hojas superpuestas.
3.- Bolsas de aire.
4.- Barra de torsión.
5.- Combinaciones de
ellos.
Resortes de acero
en espiral
Figura 2.
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Estos tipos de muelles son
los mas utilizados en los automóviles
ligeros, resultan ser como se muestra en la figura 2, un
grueso alambre de acero al manganeso templado
arrollado como un cilindro en espiral ascendente,
generalmente de diámetro y paso
constantes.
Estos resortes tienen la característica de que la distancia de
compresión es proporcional a la carga que soportan, es decir
para carga doble se reducen a la mitad de tamaño.
Esto los hace
muy elásticos y por lo tanto útiles para las suspensiones
mas suaves como las de los automóviles de pasajeros y la
suspensión delantera de los camiones ligeros, donde la carga no
varía de manera notable entre el vehículo vacío y
cargado. En los camiones pesados donde la diferencia entre
vehículo vacío y cargado es muy grande no son apropiados
ya que si se fabrican de acuerdo al peso de la carga, resultarán
muy rígidos cuando el vehículo marche vacío.
Otra ventaja de estos muelles es que son de relativa pequeñas
dimensiones para la carga que soportan.
Una desventaja de los muelles de espiral es que ellos en si mismos no
sirven para producir sujeción en la dirección de movimiento entre el
eje de las ruedas y el cuerpo del vehículo, por lo que deben estar
acompañados de unos
tensores de agarre a ese fin.
Figura 3.
Figura 4.
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En el esquema de la figura 3 puede verse un típico montaje del muelle
en
espiral,
nótese que está colocado dentro de un mecanismo de palancas
en forma de horquillas, que unen el eje de la rueda (aro rojo) al
vehículo, a través de los puntos de pivote (puntos rojos
en las horquillas), Estas horquillas pueden pivotar en esos puntos
permitiendo el movimiento relativo de la rueda en dirección
vertical, pero impiden movimiento relativo alguno en dirección
horizontal, con lo que se garantiza que la rueda y el vehículo
estén rígidamente unidos durante las frenadas.
Una vista más real de este
mecanismo puede verse en la figura 4. El rectángulo
negro representa la rueda delantera montada sobre un eje saliente de
una pieza en cuyos extremos hay unas articulaciones de bola que a su
vez se acoplan a las horquillas del mecanismo de suspensión.
Esas articulaciones de bolas permiten al eje de la rueda el movimiento
relativo adecuado con las horquillas tanto en la dirección
vertical, así como en el ángulo direccional. Una gruesa
pieza de acero está rígidamente acoplada al
vehículo y a en ella se acoplan
las horquillas y se soporta el muelle de carga. El cilindro que se
observa dentro del muelle es el amortiguador cuya utilidad se
explicó mas arriba y se detalla mas abajo.
Este no es el único diseño del mecanismo de soporte, este
es generalmente utilizado para la suspensión delantera
independiente, de vehículos con tracción trasera, la
utilización de la tracción delantera, donde una barra de
transmisión se acopla al centro de la rueda, impide la
colocación del muelle en esa posición por lo que se acude
a otros diseños que liberan el espacio para esta barra. Haciendo
clic aquí puede ver
imágenes
de diferentes diseños.
Muelles de hojas
superpuestas
Abundantemente utilizados
en los vehículos de carga por su simplicidad
y larga duración, los muelles de hojas o ballestas (figura 5) están
construidos
por la superposición de hojas de acero al manganeso templado de
diferente
longitud como se muestra en la figura.
Figura 5.
Estos muelles funcionan como una placa plana curvada que se flexiona al
aplicarle una carga, la práctica demuestra que la figura
geométrica de este tipo mas elástica y ligera es la placa
plana mas ancha en el centro y terminada en punta en los extremos
tal y como se muestra a continuación en la figura 6.
Figura 6.
Abajo, en el dibujo 2, la misma placa mostrando la sección lateral
curvada y la fuerza F en el centro, tal y como se usaría en el
automóvil para soportar la carga.
Si fabricamos nuestra ballesta con la placa plana óptima y más
flexible, resultaría demasiado ancha para ser colocada en el
poco espacio donde debe ir, por eso, lo que se hace es cortar en tiras
esa plancha y colocarlas unas encima de las otras para formar un
paquete que reduce notablemente las dimensiones pero conserva la
elasticidad
máxima. No es difícil darse cuenta que cada hoja
será más pequeña que la que le precede si consideramos la
primera tira cortada desde el centro de la plancha.
El paquete de hojas se asegura a través de un perno con tuerca
que atraviesa todas las hojas utilizando un agujero practicado en todas
las hojas en el centro.
Los extremos de la hoja mas larga, conocida como maestra han sido
doblados para formar un cilindro pequeño por donde se une al
vehículo, utilizando un casquillo de goma dura.
Figura 7.
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En la figura 7 que sigue puede verse un típico uso de estos
muelles de hojas en un camión pesado de doble eje trasero.
Observe el muelle formado
por tres hojas de diferente tamaño, acoplado al chasis del
camión en el centro. Las ruedas están quitadas para
facilitar la vista del muelle. Observe también, que los extremos
del muelle están sujetos a los ejes en los "ojos" de los
extremos de la hoja maestra a través de gruesos pernos y que hay
unos robustos tensores que aseguran los ejes al chasis y así
poder hacer el muelle mas ligero ya que no tiene que soportar las
enormes cargas de frenado.
No es muy difícil darse cuenta que con la carga y la consecuente
flexión del muelle tendiendo a enderezarse, la
distancia entre los ejes varía, separándose y
acercándose durante los movimientos ondulatorios en las
irregularidades del camino.
Los amortiguadores están pintados de
rosado.
Bolsas de aire
A partir del desarrollo de cauchos y fibras de refuerzo cada vez más
resistentes, las bolsas de aire como elemento flexible, han ido
adquiriendo más y más utilización en los vehículos
dotados con frenos de aire donde el aire comprimido está
disponible. Estas bolsas de aire proporcionan una suspensión muy
suave y suficientemente duradera.
La ventaja principal de las bolsas de aire comparadas con el resto de
los muelles es que su presión interior puede ser modificada de
acuerdo a la carga y con ello mantener la misma altura en el
vehículo cargado y el vacío además de proporcionar
casi la misma suavidad de marcha con independencia de la carga
aprovechando la compresibilidad del aire interior.
En principio, estas bolsas
de aire se montan de la misma manera que los
muelles en espiral, sustituyendo estos, pero acompañadas de un
sensible
mecanismo neumo-mecánico de control de presión.
En la foto de la figura 8 a continuación puede verse un típico montaje
de
las
bolsas de aire en un camión pesado. Estas bolsas de aire no
sostienen el eje en su sitio tal y como los muelles en espiral, por lo
que el uso de tensores de soporte son necesarios.
Figura 8.
Barra de torsión
La barra de torsión como elemento de soporte de la carga es
también muy utilizada.
En este caso la rueda está montada
en un mecanismo oscilante que pivota en algún punto de
unión a la carrocería tal y como se vio en el caso
de los muelles de espiral. Esta pieza pivotante para moverse con
respecto a la carrocería tiene que torcer una barra de acero
templado que está fija en el otro extremo al vehículo, de
manera que el peso del automóvil mantiene la barra parcialmente
torcida, con los aumentos y disminuciones de la carga al transitar por
las irregularidades del camino la barra absorbe los movimientos
verticales del neumático torciéndose más o menos.
Las barras de
torsión pueden estar transversal o longitudinalmente al
vehículo.
En la figura 9 se muestra un esquema de montaje de una
suspensión delantera con barras de torsión longitudinales
al vehículo. Observe que cada rueda está montada en una
horquilla que que pivota en dos puntos y está a su vez acoplada
al extremo curvo de una barra de torsión, de manera que debe
torcer esta barra para poder moverse en sentido vertical. El otro
extremo de la barra de torsión está rígidamente
sujeto al cuerpo del vehículo.
Figura 9.
Observe que la utilización de las barras de torsión
facilita el paso de las barras de transmisión del movimiento a
la rueda tan comunes hoy en los vehículos ligeros de
tracción delantera.
El amortiguador
Al principio del tema se ha descrito la función del
amortiguador, ahora detallaremos en su construcción.
Erróneamente muchas personas piensan que el amortiguador
participa en
el soporte de carga del vehículo. Lo real es que el
amortiguador, aunque importante para mejorar la suavidad de la
suspensión y la estabilidad del vehículo en caminos
tortuosos, no es imprescindible, de hecho la mayor parte de los
vehículos que circulan por el mundo lo hacen con los
amortiguadores en mal estado o sin ellos. No obstante son muy
importantes para un manejo mas seguro.
Amortiguadores de
fricción
Figura 10. Típico
amortiguador por fricción.
Figura 11.
Figura 12.
Figura 13.
Figura 14.
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Los primeros
amortiguadores eran de fricción o rozamiento, la figura 10 muestra
uno típico, están constituidos por dos
brazos, uno de los cuales se acopla al mecanismo de la rueda, y el otro
a la carrocería del vehículo.
Esos brazos terminan en unos discos separados por un material de
fricción y apretados por una pieza de acero templado que
funciona como resorte de diafragma. Un perno en el centro mantiene el
conjunto y sirve además para apretar mas o menos el resorte de
diafragma y así lograr mayor resistencia por fricción al
movimiento relativo de los
brazos.
Cuando el vehículo transita por un camino abrupto y las ruedas
suben y bajan copiando el perfil del terreno las ruedas se mueven hacia
arriba y hacia abajo con respecto al vehículo comprimiendo los
muelles de la suspensión, estos brazos ofrecen resistencia al
movimiento para amortiguar las posibles oscilaciones libres del sistema
y hacer mas confortable el camino.
Estos amortiguadores aunque efectivos eran de doble acción, es
decir se oponen al movimiento relativo de las ruedas y el
vehículo en las dos direcciones, tanto cuando la rueda sube
respecto al vehículo como cuando bajan. Este doble efecto es en
ocasiones indeseado porque "endurecen" un tanto la suspensión,
además su duración no es muy larga ya que el material de
fricción está sometido a un severo trabajo de desgaste
especialmente en caminos accidentados.
Hoy en día los amortiguadores de fricción para los
automóviles han caído en desuso y en su lugar se utilizan
los amortiguadores hidráulicos.
Amortiguadores
hidráulicos
La figura 11
muestra un esquema del funcionamiento del amortiguador
hidráulico de simple acción.
Los aros negros son los lugares por donde el amortiguador se ancla a la
carrocería y al soporte de la rueda respectivamente, de manera
que durante el movimiento relativo de las ruedas los aros de separan y
acercan. Para hacerlo el vástago acoplado al cilindro superior y
en cuyo extremo hay un pistón, debe moverse dentro del aceite
que contiene el otro cilindro herméticamente sellado.
Para que el pistón se mueva, debe transferirse el aceite de un
lado al otro del pistón, a través de los agujeros
practicados en él. Estos agujeros son de diferente
diámetro, de manera que por uno de ellos el aceite fluye con
relativa dificultad mientras que por el otro (de mayor
diámetro), el aceite pasa libremente. Una válvula de
simple acción cierra o abre el orificio grande en dependencia de
la dirección de movimiento del vástago.
De esta forma durante la carrera de compresión la válvula
se abre y el vástago baja libremente, mientras que en la carrera
de expansión, la válvula se cierra y el amortiguador
ofrece gran resistencia al movimiento porque el aceite fluye con mucha
dificultad por el pequeño agujero.
La parte superior está llena de gas (aire u otro) lo
que permite utilizando la compresibilidad del gas, que el aceite se
contraiga o dilate con los cambios de temperatura y además
absorbe los pequeños movimientos de las ruedas en las
irregularidades menores del camino.
Aunque este es el
principio básico de operación, la
búsqueda de mayores prestaciones y durabilidad, han hecho que
los fabricantes de amortiguadores hidráulicos hayan creado
verdaderos ingenios mecánicos en el interior, utilizando
múltiples cilindros, válvulas múltiples,
resistencia al movimiento diferente en ambas direcciones y toda
clase de mejoras.
Las fotos de las figuras 12 y 13 muestran vistas de
amortiguadores reales,
observe la foto de abajo, los muelles de espiral de la
suspensión están incorporados como un conjunto con los
propios amortiguadores, especialmente en las motocicletas.
En las vistas de suspensión de aquí,
también puede verse que es muy común para la
suspensión delantera en los vehículos con tracción
en ese puente.
Los amortiguadores son parte de la suspensión como un conjunto,
y han sido elaborados y probados estrictamente para esa
suspensión, no es bueno, ni recomendable utilizar amortiguadores
diferentes a los previstos por el fabricante como hace mucha gente, el
resultado puede ser indeseable y además puede perjudicarse
notablemente la estabilidad del vehículo. Lo mismo sucede con la
forma de montaje, el lugar y el ángulo conque están
montados los amortiguadores es parte integrante del trabajo adecuado de
estos aparatos, modificarlos puede ser peligroso.
La barra
estabilizadora.
No todos los vehículos están dotados de barra
estabilizadora, este componente juega un papel menos importante en el
sistema de suspensión, no obstante su uso representa claras
ventajas en la estabilidad del vehículo.
Este elemento es esencialmente una barra de acero
elástica en forma de U alargada conectada en un extremo,
al mecanismo de
suspensión de un lado del vehículo, y en el otro extremo
al
otro lado del mecanismo de suspensión de la otra rueda,
representada de color naranja en la figura de abajo.
Esta barra
torciéndose,
transfiere parte de la carga adicional aplicada a la suspensión
del un
lado, a la suspensión del otro lado, cuando el vehículo
hace un giro, reduciendo notablemente la inclinación de la
carrocería.
La barra, como puede
apreciarse en la figura 14 se monta en unos soportes acoplados al
cuerpo del
vehículo que permiten su rotación.
El tipo más común de barra es el que se encuentra en la
suspensión delantera de los automóviles.
Cuando el vehículo entra en una curva, la carrocería
tiende a inclinarse hacia fuera. Esto provoca que las ruedas que van
por la parte exterior de la curva sean sometidas a una mayor fuerza
dinámica, que se traduce en un mayor peso sobre la
suspensión.
Inversamente, las ruedas internas se descargan. Por ello se puede
observar una compresión de la suspensión del lado externo
y una
extensión por el lado interno.
Este efecto puede llegar a hacer
que
alguna de las ruedas internas pierda el contacto con el pavimento.
La elasticidad asociada a la barra determina cuan efectiva es para
contrarrestar la inclinación del vehículo. Esta
elasticidad típicamente
viene dada por el diámetro de la barra. Una barra muy elástica
no transferirá mucha fuerza desde una rueda a otra, por lo que
no será
muy efectiva para impedir la inclinación. Una barra
rígida transferirá
mayor fuerza, pero esto impactará en el confort de
conducción, ya que
si una rueda circulando en línea recta pasa por sobre un
obstáculo,
perturbará más la rueda opuesta que una barra muy elástica.
Las fotos que siguen muestran vistas reales del montaje de barras
estabilizadoras.
Otros temas sobre el
automóvil aquí.
Para ir al índice general del portal aquí.
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