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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.
Contenido del artículo
Oscilaciones y su influencia
Como funciona un sistema de suspensión
Amortiguador
Componentes de la suspensión
El neumático
El mecanismo de soporte
Muelles
Resortes de acero en espiral
Muelles de hojas superpuestas
Barra de torsión
Bolsas de aire
El amortiguador
Amortiguadores de fricción
Amortiguadores hidráulicos
La barra estabilizadora

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.

El esquema de la derecha (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.
Esquema

Figura 1



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

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 entre el eje de las ruedas y la carrocería, por lo que deben estar acompañados de unos tensores de agarre a ese fin.

espiral
Figura 2

mecanismo
Figura 3

En el esquema de la izquierda (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 mas real de este mecanismo puede verse en la figura 4 de la derecha. 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.
esquema

Figura 4

Muelles de hojas superpuestas

Muelles de ballestas
Figura 5

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 de la izquierda.

La razón por la que se fabrican de este modo se explica por lo siguiente:

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.
 
placa

Figura 6

El dibujo 1 representa la forma de la placa plana cuya flexión es la mayor posible con una  carga para determinada resistencia, obsérvese la forma, tiene el máximo ancho en el centro, y termina aguzada.

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 mas 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 mas 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.

En la figura 7 que sigue puede verse un típico uso de estos muelles de hojas en un camión pesado de doble eje trasero.

foto
Figura 7



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 mas resistentes, las bolsas de aire como elemento flexible, han ido adquiriendo mas y mas 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 derecha (figura 8) 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.

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 mas o menos.

Suspensión de aire
Figura 8

Estas 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.

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.
Barra de torsión
Figura 9

Amortiguadores de fricción

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.
Amortiguador de fricción
Figura 10


Amortiguadores hidráulicos

Amortiguador hidráulico

Figura 11

La figura 11 a la izquierda 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.
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Figura 12

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Figura 13

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 la izquierda (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.
esquema
Figura 14

La barra como puede apreciarse en la figurta 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.

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