SUSPENSIÓN SISTEMAS DE TRASLACIÓN SISTEMA DE SUSPENSIÓN Introducción A pesar del buen estado de las carreteras, los vehículos no circulan siempre por superficies planas. Estas irregularidades de la carretera producen movimientos de subidas y bajadas continuas en función de la velocidad del vehículo. El vehículo recibe todas las variaciones de la carretera en forma de pequeños golpes y vibraciones. Las vibraciones en el vehículo son provocadas fundamentalmente por tres tipos de acciones: • • • Las irregularidades de la calzada (siendo las más importantes) • • • La acción de masas giratorias (motor y transmisión) • • • Acciones aerodinámicas,
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SUSPENSIÓN SISTEMAS DE TRASLACIÓN
SISTEMA DE SUSPENSIÓN Introducción A pesar del buen estado de las carreteras, los vehículos no circulan
siempre por superficies planas. Estas irregularidades de la carretera
producen movimientos de subidas y bajadas continuas en función de la
velocidad del vehículo. El vehículo recibe todas las variaciones de la
carretera en forma de pequeños golpes y vibraciones.
Las vibraciones en el vehículo son provocadas fundamentalmente por tres
tipos de acciones:
•••• Las irregularidades de la calzada (siendo las más importantes)
•••• La acción de masas giratorias (motor y transmisión)
•••• Acciones aerodinámicas,
SUSPENSIÓN SISTEMAS DE TRASLACIÓN
Como ninguna carretera es completamente plana, las ruedas además del
movimiento de giro tienen que realizar movimientos hacia arriba y hacia
abajo. En marcha rápida, estos movimientos se dan en espacios cortos de
tiempo y las aceleraciones perpendicularmente al suelo, pueden ser
mayores a la aceleración de la gravedad, lo que produce esfuerzos en el
vehículo en forma de golpes.
Los golpes resultan muy desagradables para los ocupantes e incluso
perjudiciales para la salud, además de que aumentan las solicitaciones en
las piezas constructivas del vehículo. Además las ruedas no pueden saltar
del suelo, ya que mientras las ruedas están el aire, se pierde la
transmisión de fuerza, y el vehículo durante ese tiempo carece de
dirección y no puede ser frenado.
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El sistema de suspensión del vehículo es el encargado de mantener las
ruedas en contacto con el suelo, adaptándose a las irregularidades del
terreno, absorbiendo las vibraciones, y movimientos provocados por las
ruedas en el desplazamiento del vehículo, para que estos golpes no sean
transmitidos al bastidor o chasis, proporcionando la máxima comodidad a
los pasajeros y contribuyendo a incrementar la seguridad activa del
vehículo.
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El control de los movimientos
vibratorios se realiza a través
del sistema de suspensión,
intercalado entre las masas
unidas a las ruedas (masas
no suspendidas) y el cuerpo
del vehículo (masas
suspendidas); este sistema
permite el desplazamiento
entre ambas por medio de
elementos elásticos y
produce una disipación de
energía mediante elementos
amortiguadores.
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Las funciones de la suspensión son:
•••• Proteger a los pasajeros y equipajes de las sacudidas, contribuyendo
en la confortabilidad de los mismos.
•••• Mantener en todo momento las ruedas en contacto con el suelo,
permitiendo la transmisión de la fuerza de marcha y la de frenada,
además contribuyendo a mejorar la adherencia y el guiado de las
r
u
e
d
a
s
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•••• Soportar el peso del vehículo sobre los ejes y mantener la relación
geométrica
•••• Absorber y amortiguar las vibraciones, oscilaciones y sacudidas que se
reciben de las irregularidades del camino.
•••• Absorber las
fuerzas
longitudinales,
transversales y
verticales que se
producen durante
la marcha,
contribuyendo en
la estabilidad.
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Oscilaciones
Ensayos realizados demuestran que el margen de comodidad para una
persona está alrededor de una oscilación por segundo. Una cifra
superior excita el sistema nervioso y una cifra muy inferior provoca el
mareo. Por lo tanto, para disponer de una suspensión ideal el número de
oscilaciones debe de estar comprendido entre 30 y 60 períodos por
minuto. Para ello se tienen en cuenta dos
variables:
•••• El peso que soporta el elemento elástico
•••• El coeficiente de elasticidad del mismo
En función del peso soportado, se produce
una deformación, según el coeficiente
elástico del resorte.
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La energía que ocasiona la deformación del resorte es devuelta como
reacción elástica en forma de oscilaciones, cuyo período “T” es:
Sabiendo que el coeficiente elástico es K = P/h, y conociendo la carga del
resorte (P) y la deformación que se produce (h), se obtiene:
T = Periodo o tiempo de oscilación, en seg.
h = Deformación producida, en m.
g = Gravedad (9.81 m/seg2)
m = Masa suspendida,, en kg.
K = Coeficiente elástico del resorte, en kg/m
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SISTEMAS DE SUSPENSIÓN
Los sistemas de suspensión más utilizados son los siguientes:
•••• Sistema de suspensión simple o convencional
•••• Sistema de suspensión neumática
•••• Sistema de suspensión hidroneumática
•••• Sistema de suspensión inteligente
SUSPENSIONES SIMPLES O CONVENCIONALES
Este es el sistema más utilizado, este sistema utiliza elementos de
suspensión simples, no gestionados electrónicamente, y está formado por:
• Elementos elásticos
• Elementos amortiguadores
• Elementos anexos
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ELEMENTOS ELÁSTICOS
Los elementos elásticos tienen la finalidad de absorber los golpes
provenientes de la calzada, mejorando el confort, además aseguran la
adherencia continua de las ruedas al suelo, mejorando la estabilidad y la
capacidad para dirigir el vehículo.
Son elementos construidos de acero especial para resortes, a los que se le
aplican diferentes tratamientos térmicos para mejorar sus propiedades,
tales como elasticidad, resistencia mecánica, etc.
Se utilizan tres tipos de elementos elásticos:
• Ballestas
• Muelles helicoidales
• Barras de torsión
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BALLESTAS Están formadas por un conjunto
de láminas de un acero especial
para muelles (aleado con
pequeñas proporciones de silicio y
manganeso) que, sometido a un
tratamiento térmico de temple y
revenido, tiene la característica
fundamental de poder doblarse
considerablemente bajo la acción de una
fuerza, retornando a su posición original
en cuanto esta fuerza que la dobla
desaparece.
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Las hojas están unidas mediante unas abrazaderas que permiten el
desplazamiento entre las hojas cuando éstas se deforman por el peso
que soportan; la hoja más larga o superior recibe el nombre de hoja
maestra o principal, va curvada en sus extremos formando unos ojos en
los que se monta unos casquillos, para su acoplamiento, por medio de
unos pernos o bulones. El número de hojas y su espesor está en
función de la carga que ha de soportar. Todas las hojas se unen en el
centro mediante un tornillo pasante con tuerca, llamado capuchino o
perno guía.
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Tipos de ballestas:
1. Ballestas simétricas convencionales:
Las ballestas simétricas se utilizan siempre que la geometría del vehículo
lo permite, generalmente en vehículos pesados de tres o más ejes, en los
que las distancias entre ejes resultan excesivamente reducidas; en
muchas ocasiones obligan a que las ballestas sean más cortas en el
espacio comprendido entre los ejes (ballestas asimétricas).
Dentro de esta categoría nos encontramos con distintas tipologías, los
elementos diferenciadores son:
• Flexibilidad uniforme o flexibilidad variable.
• Espesor de las hojas.
• Anchura de las hojas.
• Escalonamiento uniforme o no uniforme
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Escalonamiento: es la cadencia con que las hojas de la ballesta
disminuyen su longitud al pasar de las superiores (más largas) a las
inferiores. La razón de ser de escalonamiento es conseguir una resistencia
uniforme en cualquier sección de la ballesta; no tendría sentido que todas
las hojas estuviesen dotadas de la misma longitud puesto que los
esfuerzos de flexión sobre una sección cualquiera de la ballesta son
directamente proporcionales a la distancia de dicha sección al extremo de
la ballesta.
Tratar de conseguir una ballesta tal que todas sus secciones manifestasen
la misma resistencia ante los esfuerzos a los que hipotéticamente se va a
encontrar sometida; a este comportamiento se define como sólido de
igual resistencia (sólido tal que todas sus secciones son capaces de
soportar iguales solicitaciones
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a) Ballesta simétrica convencional con hojas de igual espesor y anchura, y escalonamiento uniforme.
En general con cualquier suspensión por ballestas se debe tomar como
objetivo acercarse lo más posible al “sólido de igual resistencia”, lo que
supone un perfil parabólico para el conjunto de la ballesta.
Con este tipo de ballestas, no se obtiene un perfil parabólico en el conjunto
de la ballesta, pero sí que se obtiene una aproximación trapezoidal a una
envolvente parabólica lo que se ajusta aceptablemente a un sólido de igual
resistencia
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Además este tipo de ballestas permite simplificar notablemente el proceso
productivo, aunque pueden resultar ligeramente más voluminosas que las
siguientes, con escalonamiento no uniforme.
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b) Ballesta simétrica convencional con hojas de igual espesor y anchura, y escalonamiento no uniforme
Permiten ajustarse algo más al sólido de igual resistencia, al lograr en el
conjunto de la ballesta un perfil de envolvente parabólico.
Si bien el proceso productivo y de diseño resulta algo más engorroso, claro
que el de las de escalonamiento no uniforme permite reducir
sensiblemente el volumen de las ballestas.
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c) Ballesta simétrica convencional con hojas de diferente espesor e igual anchura, y escalonamiento uniforme
Con esta metodología se consigue, de una forma alternativa, al perfil
parabólico, aproximarse al sólido de igual resistencia, aunque resulta poco
eficiente por la diversidad de perfiles metálicos de diferente espesor con
los que se hace preciso trabajar.
Además, el proceso de laminación lleva asociado a él unos grandes
esfuerzos que se multiplican por un factor muy importante cuando
aumentan de forma sensible los espesores de las hojas.
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d) Ballesta simétrica convencional con hojas de diferente espesor e igual anchura, y escalonamiento no uniforme
Tipología similar a la anterior, aunque permite un mejor juego en lo que a
limitaciones de volumen y flecha se refiere. Resulta notablemente más
caro que los anteriores.
2. Ballestas simétricas de flexibilidad variable. En función del número de etapas, los resortes laminares pueden
clasificarse en simples o de una etapa, y compuestos o de varias etapas.
Los resortes laminares simples se caracterizan por ser de rigidez
constante, mientras que los de varias etapas (combinación de resortes en
paralelo) consiguen una rigidez variable.
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En algunos casos especiales en los que la carga estática sobre la ballesta
es alta y pueden aparecer notables sobrecargas, se hace preciso reducir la
flexibilidad y darle a la ballesta una mayor rigidez, lo suficiente como para
soportar sin excesivo sedimento las cargas dinámicas resultantes.
Cuando las sobrecargas de uso del vehículo son muy elevadas, una
ballesta dimensionada en función de estas cargas puede resultar
excesivamente rígida. Para evitar estos problemas se utilizan ballestas de
rigidez variable.
Existen varios sistemas de conseguir una rigidez variable en una ballesta;
en ballestas simétricas la solución pasa por la colocación de una ballesta
para cargas reducidas conjugada con una segunda ballesta, llamada
“ballestín”, de hojas más cortas y unidas a la ballesta y al puente por su
parte central.
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Este conjunto se
complementa, a la
hora del montaje con
un tope de goma
unido al bastidor e
intercalado entre éste
y la parte central de la
ballesta, que impide el
choque de la ballesta
con el bastidor.
Con este montaje se consigue adaptar la suspensión al modo de trabajo
del vehículo. Con el vehículo descargado o mínimamente cargado tan solo
trabaja la ballesta principal. Por el contrario, cuando el vehículo trabaja a
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plena carga la ballesta principal cede completamente, siendo el ballestín el
encargado de soportar los esfuerzos dinámicos de la suspensión.
Con este mismo planteamiento se pueden realizar en ocasiones
suspensiones dotadas de tres e incluso más ballestas en paralelo, aunque
lo más habitual es encontrar una ballesta principal y un ballestín.
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3. Ballestas parabólicas:
Se entiende por ballesta parabólica a aquella cuyo perfil es una parábola.
Una ballesta parabólica podría estar formada por una sola hoja si su
resistencia fuera suficiente para soportar con seguridad las cargas
exigibles. Pero, por las dificultades que entraña la materialización de una
hoja tal que soporte dichos esfuerzos, suele estar formada por varias hojas
(dos o tres) de igual longitud.
La ballesta trabaja básicamente a flexión, la distribución de esfuerzos
tendrá una forma parabólica y por tanto la sección de la ballesta tendrá
que ser igualmente parabólica.
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El montaje de ballestas de hojas parabólicas en las suspensiones, ofrece
varias diferencias constructivas con respecto a las ballestas
convencionales, entre las que cabe destacar:
•••• Todas las hojas presentan la misma longitud, condición necesaria para
conseguir un comportamiento de sólido de igual resistencia.
•••• Ante la imposibilidad de curvar las hojas inferiores haciendo que se
adapten al perfil inferior de las superiores (esto supondría mayores
longitudes en las hojas inferiores), no cabe la posibilidad de
amortiguamiento de fricción ante aceleraciones o frenadas del
vehículo. Además, al no estar las hojas en contacto, hemos de
aseguramos de algún modo el que todas las hojas trabajen al unísono
y, por lo tanto, sufran deformaciones similares; esto se resuelve
colocando separadores entre las hojas de las ballestas parabólicas, lo
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que impide la materialización de ballestas parabólicas con un gran
número de hojas ya que resultarían excesivamente voluminosas.
•••• Las ballestas parabólicas no presentan pues contacto entre sí, por lo
que no son capaces de absorber por sí mismas movimientos de
cabeceo de la carrocería. Por esta causa las ballestas parabólicas van
siempre acompañadas de amortiguadores que se encargan de
absorber estos movimientos.
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4. Ballestas trapezoidales:
Si bien, como hemos visto, el perfil parabólico es el que más se aproxima
al sólido de igual resistencia, dada la dificultad que entraña la fabricación
de estas hojas, muchas veces son sustituidas por hojas con perfiles
trapezoidales. En este caso, aunque la ballesta no resulta un sólido de
igual resistencia, sí que se aproxima bastante.
Este tipo de ballestas se puede considerar como una variedad del anterior,
siendo sus características, forma de montaje y utilización análoga a las de
las ballestas parabólicas
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TIPOS DE MONTAJE:
Montaje longitudinal
La ballesta que presenta cierta curvatura, tiende a ponerse recta la subir la
rueda con las irregularidades del terreno, aumentado con ello su longitud
horizontal, por este motivo, en su unión al chasis dispone de un sistema
que permite su alargamiento. Generalmente, este dispositivo va colocado
en la parte posterior de la ballesta y consiste en la adopción de una
gemela que realiza la unión al chasis por medio de un perno pasante.
Además, en el ojo de la ballesta, se coloca un casquillo elástico, llamado
silentblock, formado por dos manguitos de acero unidos entre sí por un
casquillo de caucho, que se interpone a presión entre ambos; de esta
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manera, el silentblock actúa como articulación para movimientos
pequeños, sin que se produzcan ruidos, ni requiera engrase.
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El montaje de la ballesta en el eje, puede realizarse con apoyo de la
ballesta sobre el eje o con el eje sobre la ballesta; este último montaje
permite que la carrocería baje, ganado en estabilidad. La sujeción se
realiza por medio de unas abrazaderas que enlazan la ballesta al eje.
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Montaje transversal
Utilizada generalmente en vehículos livianos, se realiza uniendo los
extremos de la ballesta al puente o brazos de suspensión, con
interposición de gemelas y la base de la ballesta a una travesaño del
bastidor o carrocería.
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Dependiendo del tipo de montaje sobre el vehículo los ojos van a adquirir
distinta forma y sentido, las formas más comunes se muestran en la figura.
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MUELLES HELICOIDALES
Este tipo de muelles tienen como
ventaja que ocupan poco espacio y
además brindan mayor suavidad que la
de ballestas, debido a que posee
excelentes cualidades elásticas, pero
poca capacidad para almacenar
energía, de ahí la necesidad del
amortiguador que absorbe la reacción
del muelle; no son capaces de soportar
mucha carga, ni de contrarrestar los
esfuerzos laterales por lo que requieren
de tirantería que le ayude a controlar estos esfuerzos.
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Trabajan a torsión, retorciéndose
proporcionalmente al esfuerzo que
tienen que soportar, acortando su
longitud y volviendo a su posición de
reposo cuando cesa el efecto que
produce la deformación.
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La flexibilidad del muelle (o se podría decir la rigidez) depende de
diversos factores que se resumen en el siguiente cuadro:
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Muelles de rango variable El muelle de paso variable, controla la carga tanto
como ésta varíe. Las espirales inferiores más
separadas se comprimen menos que las
superiores, que están más juntas, ayudando a un
rodaje suave. Los resortes de rango variable
marcan la diferencia en la sensación del camino.
Reducen el vencimiento, la oscilación y mantienen
la estabilidad cuando transportan cargas extras en
vehículo.
Los muelles con arrollamiento en forma de cono o
doble cono tienen la ventaja, en comparación con
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los muelles helicoidales cilíndricos, de que los arrollamientos del muelle no
pueden tocarse durante la marcha al comprimirse éste, ya que cada vuelta
del arrollamiento en espiral se aloja en el arrollamiento mayor anterior.
Con esto, resulta un muelle de menor altura su pérdida de recorrido de
compresión, además de obtenerse una flexibilidad progresiva.
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BARRAS DE TORSIÓN La introducción de nuevos materiales ha permitido sustituir las ballestas y
los muelles helicoidales por las barras de torsión.
Su funcionamiento está basado en el
principio de que si a una varilla de acero
elástico, sujeta por uno de sus extremos,
se le aplica por el otro un esfuerzo de
torsión, la varilla tenderá a retorcerse,
oponiendo un par de reacción de igual
valor y sentido contrario, volviendo a su
forma primitiva, por su elasticidad,
cuando cese el esfuerzo de torsión.
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El montaje de estas barras sobre el vehículo se realiza fijando uno de sus
extremos al chasis o a la carrocería, de forma que no pueda girar en su
soporte; en el otro extremo, se coloca una palanca solidaria a la barra,
unida en su extremo libre al eje de la rueda. Cuando ésta suba o baje por
efecto de las desigualdades del terreno, se producirá en la barra un
esfuerzo de torsión, cuya deformación elástica permite el movimiento de la
rueda.
Las barras de torsión se pueden disponer paralelamente al eje longitudinal
del vehículo o transversalmente. En el caso de disposición longitudinal,
son posibles mayores longitudes (por lo tanto mayores ángulos de torsión,
mayor recorrido elástico). Las cabezas de sujeción están generalmente
dentadas, con la finalidad de facilitar el ajuste de la tensión previa.