Sr. Pera martes, 15 de febrero de 2011

Seguimos con nuestra serie de artículos técnicos sobre la creación de un prototipo de carreras, de la mano del equipo de Fórmula SAE de la Universidad Europea de Madrid (UEM). Y hoy nos toca hablar de uno de los temas más engorrosos y complejos de todo el coche: Las suspensiones.



En ésta primera entrega vamos a olvidarnos del conjunto muelle-amortiguador y centrarnos en el diseño de la geometría de un sistema de suspensión por push rods. En miles de foros y páginas de internet se explica cómo funciona un conjunto muelle-amortiguador: el muelle permite que la rueda suba o baje y el amortiguador hace resistencia al movimiento, frenando dicho desplazamiento del muelle y haciendo que no esté "rebotando" eternamente y se neutralice lo antes posible. Ese movimiento de expansión, comprensión, rebote, etc. forma una gráfica con una frecuencia, de la que hablaremos más adelante. Hoy nos centramos en el diseño que conecta la rueda con el muelle-amortiguador, y a su vez con el chasis del coche.

El esquema que escojamos influye enormemente en el comportamiento del coche, sus masas, su regulación, etc. Así que para tomar dimensión de las ventajas del sistema de push-rods que llevará el fórmula, inspirado en la Fórmula 1, antes vamos a explicar de forma sencilla cómo son las de nuestro coche, habitualmente con un sistema McPherson delante (detrás se suelen montar esquemas más arcaicos como eje rígido o barra de torsión, ya que el eje "importante" de un turismo es el delantero, que guía el coche).


(Sistema McPherson: No te rías, podría ser tu coche.)

Como veis en el dibujo de arriba, la rueda se sujeta en un buje con los frenos y demás, y el buje únicamente se sujeta al chásis por un brazo que bascula hacia arriba y hacia abajo, y para regular la dureza de ese movimiento, el amortiguador, que se sujeta desde dicho brazo hasta la torreta superior, donde se atornilla. En éste esquema, el guiado del brazo (y por tanto de la rueda), al subir y bajar, describe un arco, por lo tanto si en reposo la rueda queda perfectamente recta (sin caídas), al subir la rueda se inclinará dando caída negativa, y viceversa. En resumen: que al ir la rueda sujeta únicamente por un brazo que bascula unido al chasis, su movimiento necesariamente ha de ser circular.

Este sistema obligatoriamente implica, entre otras cosas:
1) Que si el coche va rodando bajo (porque llevamos carga, o porque hemos instalado unos muelles cortos) necesariamente la caída será negativa, y la geometría de la suspensión no funciona correctamente para esa posición.
2) Que por el mismo efecto de inclinación en arco, cuando el coche se inclina de un lado al tomar una curva, las caídas de las ruedas cambian durante el apoyo, dando diferente pisada a las ruedas interiores de las exteriores.
3) El amortiguador deberá ser grande, concretamente medirá desde el brazo hasta la torreta.

Un sistema de Push-Rods es relativamente sencillo si se ve en el siguiente esquema que os hemos preparado:

(Penetrante mirada del Sr. Pera, concentrado a los mandos de su Fórmula W)

Explicación: Las barras rojas son brazos (en realidad son triángulos planos en horizontal, pero al caso nos sirve pensar que son brazos sencillos) que unen el buje (rueda) con el chasis del coche. Ambos brazos deben ser deseablemente paralelos, y cuando la rueda pisa un bache, los dos suben y bajan a la vez. De esta manera la rueda sube y baja siempre en línea recta (vertical), y no en arco como hace la McPherson. Por eso aunque el coche vaya en una curva en máximo apoyo lateral, y se incline hacia un lado, las ruedas mantendrán su caída y su posición, tanto las exteriores como las interiores, permitiendo una pisada homogénea entre las 4 ruedas. Primera ventaja.

Las barras amarillas son los "push-rods" (traducido literalmente: "barras de empuje"), y sirven para "reenviar" el movimiento de la rueda al amortiguador. Veamos: El coche llega a una curva, se apoya y la inercia inclina el coche hacia un lateral, la rueda sube guiada por los brazos (rojos), y el push-rod también sube. Al subir hace girar la pieza naranja, el "rocker" o balancín. El rocker lleva un eje en el centro, por lo que balancea sus extremos: por un lado el push-rod, y al lado contrario el amortiguador. De esta manera, cuando el push rod sube, empuja su extremo del rocker, haciendo que el otro extremo empuje el amortiguador.

¿Y eso para qué? Las posibilidades son infinitas. Para empezar, este sistema nos permite reenviar el movimiento de la suspensión a cualquier parte del coche, y por tanto podemos llevarnos los amortiguadores al centro del coche (cuando más "fuera" estén colocados más fuerza centrífuga generan los giros, y mayor inercia tendrá que vencer el coche en las curvas). Pero también, al reenviar el movimiento con el push rod a través del rocker o balancín, el amortiguador puede ser más pequeño, pues ya no necesita ser tan largo como la distancia entre la rueda y la torreta (McPherson), sino tener un pequeño recorrido. Por si fuera poco, según coloquemos el sistema y la geometría del rocker y el push rod, podemos hacer que el movimiento tenga la dirección que queramos, y así colocar el amortiguador en posición horizontal, bajando el centro de gravedad del coche. Otra ventaja es que al centrar los amortiguadores, la barra estabilizadora que los une, puede ser más corta, más rigera, y más rígida.

Paralelo al sistema de Push-Rods está el de Pull-Rods. Es decir, en lugar de "empujar", el sistema "tira" del amortiguador. Como podéis imaginar, sólo es cuestión de invertir la colocación y funcionamiento del push-rod (que ahora es "pull-rod") y el rocker, para que el movimiento haga tirar del amortiguador en lugar de empujarlo. El sistema es enormemente parecido, y sus cualidades tienen pocas diferencias, así que no vamos a entrar tampoco en detalles, y nos quedamos con el más extendido uso de los Push...

Como a quedado demostrado, un esquema que no parece demasiado complicado, ha proporcionado una enorme cantidad de ventajas sobre el clásico tipo McPherson. Y eso que hemos tocado el tema superficialmente: si entramos a pormenorizar las fuerzas que actúan, los pesos, y el efecto palanca que nos ahorramos en muchos movimientos del coche, nos convencemos de que la diferencia es como la noche y el día.

(El simulador Live For Speed nos permite ver los diferentes tipos de suspensiones de sus coches, y hacer todo tipo de ajustes bastante avanzados. Una gozada si tenemos un buen volante para jugar y sacarle partido. Aquí vemos un tipo McPherson.)

Debemos aclarar que los turismos corrientes no montan este sistema por varios motivos. Principalmente el precio: un sistema McPherson es más sencillo de diseñar y de instalar, y da un resultado suficiente para el uso que normalmente se da a un turismo. Por otra parte, un sistema de Push-Rods es más frágil ante los golpes, y tiene más partes "rompibles" que una McPherson, por lo que cada reparación sería muy costosa.

En cambio el sistema es muy extendido entre los super-deportivos de hoy en día. Hace poco vimos el nuevo Pagani Huayra exhibir su sofisticado esquema trasero con orgullo, y otros no tan exóticos como el KTM X-bow o el Caterham Super 7 CSR lo utilizan desde hace años con enormes beneficios y resultados a la vista de todos...

(Foto detalle del Caterham CSR que nos enseñaron en nuestra visita a Caterham Cars, con su suspensión delantera por push-rods y los amortiguadores en el centro del morro del coche, como en la F1. La pieza de carbono es el guardabarros de la rueda)

Pero esto ha sido sólo el diseño de la geometría, y ahora hay que hacerla funcionar y darle un set up adecuado a las características del coche, si no, no serviría de nada. Y en las siguientes entradas seguiremos desvelando este tema.

6 comentarios:

Sr. Pera dijo...

Espero que no me haya quedado muy "ladrillo" y que se entienda todo bien. Para cualquier duda ya sabéis, comentario o email.
¡¡Seguiremos el tema de suspensiones en breve!!

joseluis dijo...

Magnífico!!! Para leerlo con calma y despacio, pero parece bastante comprensible!

Don Pimpón dijo...

Bastante interesante. Si lo he entendido hasta yo, es que está bien explicado.

Jose dijo...

Hola, Me alegra que ahora se pueda comentar. Hace tiempo que leo este blog y me gusta. Es sin duda diferente. y el contenido siempre curioso, correcto, y entretenido. Gracias y seguid así.

Y sobre estos articulos de formula SAE... Me gustan especialmente.

Lo malo de estas suspensiones es que su configuración es complicada. Los amortiguadores cortos son muy caros, y además el rocker traduc el movimiento vertical de la rueda con un ratio, que hace que el amortiguador haga menos recorrido, lo cual le mete unos meneos que no veas. Trabajan mucho más y dan problemas.

Una grandisima ventaja que no se comenta es que jugando con los ángulos del rocker se puede hacer que la suspensión sea blandita en el primer tramo del recorrido, y dura en los extremos.
No se si me explico bien sin dibujos... :S

Seguid así ;)

Jose dijo...

A, tampoco contais que se eliminan los amortiguadores de la lista de masas no suspendidas. De hecho tenía entendido que esta razón junto a que dan libertad para diseñar la geometría al liberar espacio son las principales razones por las que se usan.

Sr. Pera dijo...

Hola Jose, agradezco un montón tu aportación, y efectivamente es cierto, aunque matizable:
Lo de las masas suspendidas todavía no lo queremos detallar porque es extenso, y lo haremos más adelante.
Lo del precio de los amortiguadores es al revés, los ohlins cortos para el formula salen por unos 2.000 euros, mientras que el mismo modelo en versión larga para McPherson cuesta casi 12.000 euracos. Además, para hacer pruebas con el fórmula les sirvió con unos amortiguadores de bici de descenso con el set up cambiado, mucho más baratos y perfectamente funcionales (de 4 vías, con botella de gas remota y todo).
Y respecto al asunto de la dureza progresiva según el rocker, he consultado a nuestro asesor ingeniero, y efectivamente es así, pero es más propio de los sistemas de pull rod que de push rod. En los coches de calle se simula el mismo efecto con muelles progresivos, que cambian la distancia entre espiras a medio recorrido.

Lo importante de tu comentario es que entiendas que nuestro artículo es divulgativo, queremos hacerlo entender a todo el mundo, y por eso no entramos al lado más técnico y oscuro (de momento), se trata de un tema MUY complejo y no queremos ponernos a hablar de frecuencias y fórmulas de golpe, porque la mayoría de la gente no se lo lee.
Y por último, pedirte paciencia, porque éste es el vol.1 y aún faltan más entregas en las que hablar de otros asuntos relativos al setup, al valvulado del amortiguador, etc.
Seguimos trabajando a tope!!!!

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