Suspensiones: ganando y perdiendo estabilidad
Contexto
Un sistema de elementos indispensable para nuestros vehículos es el sistema de suspensiones. Creado para minimizar el movimiento del chasis debido a las irregularidades del asfalto.
Antiguamente los carros de caballos comenzaron a ser estructuras rígidas conectadas directamente a los ejes del carruaje. Pero las personas que lo utilizaban se sentían molestas al sentir todos los cambios de los viejos caminos durante el recorrido, por lo que utilizaron unas tiras de cuero sujetadas por un par de pilares que aguantaban la cabina del carruaje y amortiguaban las diferencia del pavimento de una forma u otra.
Los sistemas de suspensión han sufrido una autentica revolución desde los inicios de la automoción.
Varios de cientos de años después se investigaron los sistemas de amortiguamiento hidráulicos que conocemos hoy en día.
Los sistemas de suspensión actuales se conforman por diferentes subsistemas enlazados entre sí bastante complicados de configurar ya que su modificación suele afectar a los demás subsistemas como veremos a continuación.
Partes, componentes y ajustes de una suspensión
En esta imagen se pueden apreciar la mayoría de los elementos que conforman una suspensión
Spring perch offset y Barras de torsión
El primer elemento del que hablaremos será del spring perch offset. Este subsistema del coche no es más que un tornillo en la parte superior de la suspensión y una tuerca situada en el chasis. Al mover la tuerca se comprimen o descomprimen los muelles de suspensión. Esto permite que aumente o disminuya la distancia al suelo de esa parte del coche en particular, pues el chasis descansa sobre los muelles cuando el coche está en reposo.
Estos cambios de alturas modifican el peso que cada rueda soporta, tanto en parado como en movimiento, y cambia la posición del centro de gravedad del vehículo. También pueden modificar los valores de camber, caster, toe-in y arb.
La rosca que aparece destacada en la imagen es un claro ejemplo del Spring Perch Offset
Cabe decir que los spring perch offset se suelen utilizar en los turismos, pues el chasis cubre por arriba los sistemas de suspensión. En el caso de los monoplazas, al ir las ruedas abiertas (de ahí open wheel), utilizan el mismo sistema pero de forma diferente. Un tornillo en uno de los brazos de suspensión y una tuerca al otro lado sujeta al chasis. Este es el pushrod, y controla de igual manera la altura del monoplaza, alargando o acortando ese brazo de suspensión.
Por último, otro sistema para realizar este cambio de alturas que se pueden ver en otros vehículos, como los LMP1, son las barras de torsión. Se trata, al igual que otros sistemas, de un tornillo sobre un eje roscado, que acorta o alarga la distancia de la barra de torsión al brazo de suspensión. La diferencia de este último sistema es que también es utilizado para la estabilidad aerodinámica del fondo plano.
Muelles de suspensión
El segundo sistema o elemento, son los muelles de suspensión. Estos muelles controlan y absorben las irregularidades entre el asfalto y el chasis. Se trata de un muelle de metal acoplado entre el chasis y el brazo inferior de suspensión. Hay multitud de muelles diferentes en el mercado, desde muelles de con espirales constantes, como muelles con diferentes secciones en las que la fuerza puede variar según el recorrido de la suspensión. Los primeros son los más utilizados en iRacing, un muelle de fuerza constante en la que siempre actúa de la misma forma y fuerza. El tipo de muelle variable puede verse principalmente en las competiciones de rally, donde hay diferentes distancias en diferentes zonas del muelle, donde puede éste actuar flojo y cuando la fuerza se supera en esa zona, actuar la parte dura del muelle, amortiguando grandes saltos sin perder demasiada eficacia en la dirección del coche y sin tocar suelo.
Los muelles con espirales constantes son los mas utilizados en iRacing
Los muelles varían su funcionamiento según su dureza, un muelle con poca fuerza absorberá mucho las irregularidades del asfalto, pero el chasis se moverá mucho en cambios bruscos, como una curva o una frenada. Un muelle duro elimina éste último problema, pero trasmitirá casi todas las irregularidades del asfalto al chasis. Un cambio de dureza de los muelles afectará a las alturas del coche, tanto en parado como en marcha, y con esto, todas las modificaciones que un cambio de alturas puede producir a los demás elementos.
Destacado en la imagen el muelle de suspensión
Amortiguadores
El siguiente sistema son los amortiguadores. Estos elementos no son más que cilindros huecos llenos de aceite por un lado, y un compresor unido a un eje al otro. El compresor es un pequeño anillo con agujeritos a través de él. Estos agujeros permiten el paso de aceite entre una parte y otra del cilindro creando una resistencia a ser trasladado de una parte a otra. Esta resistencia aumenta conforme la velocidad de movimiento es mayor, ya que la viscosidad del aceite tiene un límite de deformación, y éste aceite debe deformarse para pasar por los agujeritos. Básicamente se comporta como una jeringa. Si aprietas el émbolo despacio notarás que el agua sale fácilmente, pero si intentas hacer lo más rápido posible notarás una resistencia. Lo mismo ocurre con los amortiguadores.
Los amortiguadores funcionan regulando la velocidad a la que se mueve el chasis respecto a la rueda. Un valor bajo permite que el chasis se mueva más rápido que con valores altos, en los que la suspensión se vuelve más rígida. La modificación de los amortiguadores genera subviraje/sobreviraje en curva, estabilidad/inestabilidad en frenada o aceleración. Setear estos elementos es vital para la comodidad en carretera.
Sin embargo, muchos de los amortiguadores de competición funcionan diferente dependiendo del rango de velocidades en los que funcionan. Para bajas velocidades, comprendidas entre cero y 50 mm/s se utiliza el rango de baja velocidad, y a partir de ahí entra en funcionamiento el rango de alta velocidad. Por lo que se puede modificar la velocidad a bajas velocidades entre los brazos de suspensión y las altas indiferentemente. También hay amortiguadores que permiten la modificación de su comportamiento según se comprime se expanda de forma independiente. Con esto se puede controlar la estabilidad del coche según las irregularidades del suelo que reciben las ruedas. Los valores dependen del coche y circuito, y no hay una fórmula para saber el valor exacto si no es con algún programa informático de dinámica de vehículos. Es posible que aumentar los valores genere una suspensión demasiado rígida para el circuito, y unos valores demasiados bajos una suspensión demasiada blanda para el trazado. Igualmente, la modificación de los amortiguadores no cambia ningún valor de los sistemas de suspensión.
Histograma de amortiguadores separando las zonas de alta y baja velocidad y las zonas de compresión y expansión.
Un caso especial es el de algunos monoplazas como el F3, o prototipos como el LMP1, en el que disponen de un tercer amortiguador con su muelle independiente. Éstos amortiguadores adicionales realizan la función de una barra antivuelco específicamente para la aceleración y frenada del vehículo. En estos casos, cuando el coche realizaba una frenada brusca o aceleraba a fondo, la suspensión perdía efectividad y por ello se implantó un tercer amortiguador para paliar los problemas que surgían durante estos momentos.
Una vez revisado los sistemas entre los brazos de suspensiones, vayamos a lo que ocurre alrededor de la rueda.
Caster
Empezamos por el Caster. Al contrario que los elementos explicados anteriormente, el Caster no es un elemento, sino un ángulo de posición de la rueda. Se trata de cuanto está adelantada la rueda respecto a la posición del spring perch offset, es decir, respecto donde está anclada la suspensión en la parte superior. Esta inclinación se puede observar fácilmente en las ruedas delanteras de las motocicletas. La razón de esta inclinación se resume en que la rueda puede autocentrarse más fácilmente en rectas, generando una fuerza adicionar a los neumáticos en curva y provocando mayor estabilidad en recta a costa de aumentar la fuerza necesaria para girar el volante. Un cambio de Caster podría modificar las alturas del coche, asi como su toe in. Un dato curioso sobre el Caster, es que modifica el Camber gradualmente según se gira el volante, en el caso de poder girar las ruedas noventa grados, la rueda tendría una inclinación lateral igual al valor del caster, convirtiendo éste en camber.
Camber
El siguiente ángulo de posicionamiento de las ruedas es el Camber. Cambiamos de punto de vista respecto al Caster, si con éste mirábamos el coche desde un lateral, aquí lo miraremos desde el frente. El Camber es el ángulo de inclinación de las ruedas. Un camber negativo aleja la parte baja de las ruedas del chasis, y un camber positivo las acerca, inclinando las ruedas hacia un lado u otro. Esta inclinación se debe a que se descubrió que en curvas rápidas, el slip angle del neumático alcanzaba su máximo, haciendo que el neumático no pudiera soportar más fuerza. Inclinando la rueda hacia afuera se podía aumentar el esfuerzo lateral en curvas rápidas ya que el neumático apoya mejor con el mismo slip angle. (El slip angle o ángulo de deriva, está explicado en el artículo sobre neumáticos)
Camber del neumático respecto al eje durante una vuelta.
Un mayor camber negativo ayuda a controlar el coche en curva rápida a costa de reducir la superficie de contacto cuando el coche va recto, pudiendo perder efectividad en frenada y aceleración. Una modificación de Camber desajusta la altura con todo lo que ello modifica a su vez.
El camber positivo se puede ver claramente en competiciones de oval, al ser carreras de único giro (a la izquierda) se les da a las ruedas derechas un camber negativo y a las ruedas izquierdas un camber positivo, para que las cuatro ruedas apoyen lo máximo posible a las altas velocidades a las que circulan.
Toe-in & Toe-out
El último ángulo se posicionamiento de la rueda es el Toe-in. Esta vez miraremos el coche desde arriba. El toe-in es el ángulo de convergencia de las ruedas de un mismo eje. Si las ruedas se giran acercando la parte delantera, tendremos un toe-in positivo, si alejamos la parte delantera, tendremos un toe-in negativo (o toe-out positivo). Este giro junto con el caster provoca que la dirección se auto alinee debido al caster, pues las ruedas nunca estarán paralelas en ningún momento y se genere una fuerza en los neumáticos para mantener el volante recto. A su vez, mejora la rotación del vehículo durante la entrada en curva ya que la rueda ya está ligeramente girada hacia la dirección de la curva, sin embargo esto genera un slip angle mayor y aumenta el desgaste de los neumáticos durante el resto del giro. Un toe in negativo produce el efecto contrario, genera inestabilidad pues las ruedas intentan girar el coche hacia el exterior en todo momento en línea recta, y en curva cuesta más rotar al coche, pero a cambio, reduce su temperatura. En ambos casos se produce un desgaste de neumáticos mayor que si no hubiera ángulo de convergencia. Un cambio de Toe in podría modificar la altura debido al caster y toda modificación al respecto.
Ajustando los elementos que aparecen destacados podemos ajustar camber, caster y toe, que además, dependerán de otros ajustes de la suspensión
Barras antivuelco (ARB)
Otro sistema de la suspensión son las barras antivuelco o ARB (Anti roll bar). Este sistema se conforma literalmente por una barra uniendo las suspensiones de un mismo eje. Durante una curva se observaba que la suspensión exterior se comprimía y las ruedas soportaban una gran fuerza mientras que la suspensión interior se expandía y sus ruedas no soportaban grandes fuerzas, a veces incluso las ruedas se levantaban del asfalto. Para obligar a la rueda interior a trabajar en curva, se colocaron barras entre las dos suspensiones del eje para forzar a la rueda interior a subir y a la rueda exterior a bajar, limitando la inclinación del chasis o roll en inglés. De esta forma, la rueda interior ayuda a la rueda exterior, liberando parte de la fuerza que actuaba sobre ella y traspasándola a la interior.
Todo esto se reduce a que las ruedas comparten los esfuerzos de las curvas, reduciendo las fuerzas que los neumáticos soportan. Sin embargo, una excesiva ARB provoca que ninguno de los neumáticos alcance una fuerza demasiado grande, y pierda agarre al faltarle carga o peso. De ahí que aumentar ARB en un eje aumente también la rigidez en ese eje, añadiendo subviraje en el eje delantero y sobreviraje en el eje trasero. Los neumáticos derrapan antes al no tener tanta carga (ver artículo sobre neumáticos) y se desgastan más rápido. Dependiendo del coche y sistema de ARB podría darse el caso de que se modificase la altura al variar la dureza de las barras ARB. Decir que la estabilidad utilizando los ARB depende de ambos valores, delanteros y traseros. Aumentar ARB atrás resultaría lo mismo que reducir ARB delante (y viceversa) y aumentar ambos en el mismo grado deberá comportarse de manera muy similar.
Todos estos componentes son los utilizados para ganar/perder estabilidad, velocidad o respuesta en el coche utilizando la suspensión. Un buen ajuste de todos estos elementos resulta en mejora del tiempo por vuelta, estabilidad y optimización de neumáticos.
Este articulo da continuidad a los ya publicados:
