Prof. Ing. Daniel Inciso MelgarejoCONSTRUCCIN DE VEHCULOS II12 SUSPENSIN

EL SISTEMA DE SUSPENSIN

1.INTRODUCCIN

En el desplazamiento de vehculos hay que minimizar en lo posible cualquier perturbacin o trastorno. Desde los orgenes del automvil, y con la evolucin de los medios de transporte, se vio la necesidad de aislar el compartimento destinado al transporte de pasajeros y mercancas de las irregularidades de la carretera.

Si la carga del vehculo son:Mercancas, el objetivo ser minimizar las vibraciones transmitidas a la misma con objeto de no daar su contenido; Personas, cuanto mejores sean las condiciones con que realizan el viaje, mayor ser el desplazamiento que puedan realizar sin llegar a fatigarse. En el caso del conductor, cuanto menor sea la fatiga, podr mantener mayor nivel de concentracin y tanto ms segura ser su conduccin.

La necesidad de usar un sistema de suspensin en el vehculo:No est motivada nicamente por la susceptibilidad o tolerancia humanas a la prdida de comfort que producen las vibraciones transmitidas al habitculo, aunque constituya una funcin altamente deseable. Es la necesidad de mantener el contacto entre la rueda y la carretera, ya que el control y la estabilidad dependen de ello. Aadir un mnimo aislamiento de la carrocera respecto a las irregularidades del terreno, los primeros fabricantes de vehculos utilizaron el sistema de suspensin simple con el uso de lminas de acero en forma de ballestas, a las que daban una forma semielptica y que se unan a la caja enrollndolas en sus extremos para facilitar una unin flexible. Estos montajes se basaban en el uso de dos ejes rgidos unidos a la caja del vehculo mediante ballestas longitudinales o transversales, que presentaban un cierto amortiguamiento por friccin entre las hojas.

La evolucin del neumtico y el uso de los muelles helicoidales en los sistemas de suspensin llevaron al diseo de suspensiones independientes despus de la II Guerra Mundial. Asociado a estos elementos surge la necesidad de disponer de un elemento disipativo, ya que desaparecen las prdidas que proporcionaban las ballestas: nace el amortiguador.Todava hoy, el diseo de suspensiones est basado en el uso de muelles helicoidales, utilizados en una amplia variedad de formas, normalmente montados concntricamente junto con amortiguadores telescpicos. La flexibilidad de sus criterios de diseo y su facilidad para ser fabricados fcilmente y barato en grandes cantidades, ha significado que su uso constituya la vanguardia del diseo de los sistemas de suspensin modernos. El desarrollo de los sistemas de suspensin, se debe probablemente ms progreso del conocimiento de los efectos de la geometra de las ruedas y sus cambios en la cinemtica, que en cualquier otro campo relacionado con ellas.

En los aos de 1980, slo el conocimiento del efecto de autoalineamiento de las ruedas, pudo permitir que aspectos como:El desequilibrio en el sistema de frenos, El arrastre del neumtico, o El balanceo negativo en las curvas, pudieran ser investigados en los vehculos estndar. En los aos de 1990, la posibilidad de utilizar sistemas electrnicos en el control del vehculo tuvo un efecto importante en la eliminacin de los compromisos tradicionales entre las cualidades de conduccin y maniobrabilidad.As, se puede afirmar que son dos las funciones principales que debe cumplir el sistema de la suspensin:Asegurar el comfort de marcha, y La estabilidad de marcha del vehculo que, en cierto modo, pueden resultar contrapuestas tal y como se ver. Dentro de estas dos funciones principales, se pueden inferir las siguientes subfunciones del sistema de la suspensin:

Proporcionar un comportamiento vertical tal que las ruedas puedan superar los desniveles del terreno, aislando a la carrocera de las irregularidades de la carretera.Mantener la posicin de los neumticos y la geometra de la direccin en perfecto estado de funcionamiento respecto a la superficie de la carretera.Reaccionar a las fuerzas de control que se transmiten desde las ruedas:Fuerzas longitudinales (aceleracin y frenado), Fuerzas laterales (en el giro), y Pares de la direccin y frenado.d.Resistir el balanceo de la carrocera.e.Mantener las ruedas en contacto con la calzada con variaciones mnimas de carga.

Como ya sabemos de lo comentado, ser funcin del sistema de suspensin el absorber las reacciones producidas en las ruedas debido a las irregularidades del terreno, de tal forma que asegure:

La comodidad de los pasajeros, La proteccin de la carga y de los rganos mecnicos del vehculo. Esto se consigue por la accin combinada de:Los neumticos (caucho + aire a presin), La elasticidad de los asiento, y El sistema elstico de la suspensin. Los neumticos absorben las pequeas irregularidades de la carretera en buenas condiciones y su misin ms importante es la de asegurar el agarre sobre la carretera (adherencia) y una marcha silenciosa del vehculo. Cuando las irregularidades del terreno son grandes, se absorben por el sistema elstico de la suspensin generando las oscilaciones de las ruedas, que sern tanto ms grandes cuanto ms "blanda" sea sta. Estas oscilaciones de las masas semisuspendidas deben ser amortiguadas rpidamente para asegurar el contacto permanente de la rueda con el terreno.

VIBRACIONES EN EL VEHCULO

Los vehculos que viajan a elevada velocidad, estn sometidos a un amplio espectro de vibraciones. Estas vibraciones se transmiten a los pasajeros de forma tctil, visual o audible. El trmino vibracin se usa normalmente en referencia a vibraciones tctiles y visuales, mientras que las vibraciones audibles se definen como ruido. El espectro de las vibraciones se puede dividir de acuerdo con la frecuencia y clasificarlas como:Vibraciones (0 - 25 Hz) y Ruido (25 - 25000 Hz). El punto lmite de 25 Hz es aproximadamente la frecuencia inferior del umbral de audicin, mientras que el lmite superior de la frecuencia es la vibracin simple comn en todos los vehculos de motor.

NOTA:El odo humano percibe frecuencias comprendidas entre 20 Hz (la frecuencia ms grave percibida) y 20 000 Hz (la frecuencia ms aguda que se percibe). Por razones antropomrficas, se definen como infrasonidos a todas las frecuencia por debajo de 20 Hz, aunque el odo de algunos animales (el topo y el elefante, por ejemplo) puede captar "sonidos" de unos pocos hertzios: su rango de percepcin se extiende a una o dos octavas ms graves que el humano. Del mismo modo, se definen como ultrasonidos a todos los que estn por encima de 20 kHz. Sin embargo, el perro y el gato puede or hasta 40 kHz y el murcilago y el delfin hasta 160 kHz, es decir una a tres octavas, respectivamente, ms agudas que el ser humano.

Los diferentes tipos de vibraciones estn normalmente interrelacionados de modo que suele ser difcil considerar cada uno por separado; as por ejemplo:El ruido est, generalmente, presente cuando hay vibraciones de baja frecuencia. Para entender el entorno vibracional del vehculo hay que analizar:Las fuentes de excitacin de las vibraciones, La respuesta del vehculo y La percepcin y tolerancia humana a las vibraciones, ya que el ambiente generado por las vibraciones es uno de los criterios ms importantes por el que la gente juzga el diseo y la calidad de construccin de un vehculo. Aunque las fuentes de vibraciones y ruido en el vehculo, se puede asegurar que contienen un amplio espectro de frecuencias, con diferentes amplitudes. Limitndose nicamente a las frecuencias verticales, la gama existente puede ser dividida en tres tipos correspondientes a:

1 - 3 Hz: Las frecuencias naturales de la carrocera.5 - 40 Hz: Las frecuencias de oscilacin de las masas no suspendidas (generalmente entre 10 a 20 Hz).40 - 250 Hz: Las frecuencias de oscilacin producidas en las masas no suspendidas, debidas a las vibraciones naturales en los neumticos.De este espectro, los elementos comunes que afectan al "comfort del pasajero'" estn referidos a las vibraciones tctiles y visuales, mientras que las vibraciones auditivas quedan reconocidas dentro del campo de los "ruidos".Existen mltiples fuentes de excitacin por las que se originan vibraciones en el vehculo, que se pueden dividir en dos grupos:Ajenas al vehculo o indirectas: Son las que se transmiten a la masa suspendida a travs de las masas no suspendidas y cuyo principal exponente es el estado del terreno (irregularidades de la carretera) por donde debe circular el mismo.

Propias del vehculo o directas: Son las ejercidas sobre la masa suspendida por elementos contenidos o apoyados en ella, es decir, son fuentes de excitacin de las vibraciones que estn incorporadas al propio vehculo y que surgen principalmente de su componentes giratorios o rotativos, como son los conjuntos:Las llantas/neumticos, El sistema de traccin/transmisin,El motor y Las acciones aerodinmicas.2.1.IRREGULARIDADES DEL TERRENOLa rugosidad de la carretera incluye desde los baches resultado de fallas localizados en el pavimento, hasta las inevitables desviaciones aleatorias procedentes de los lmites prcticos de precisin con los que es posible llevar a cabo la construccin y el mantenimiento de la superficie de la carretera.

La rugosidad o irregularidad de la carretera se define en funcin de la modificacin del perfil, a lo largo del ancho de va, sobre el que el vehculo pasa. Los perfiles de carretera pueden incluirse en la categora general de "seales aleatorias de banda ancha", y por ello pueden describirse tanto por el propio perfil como por sus propiedades estadsticas. Una de las representaciones ms utilizadas es la funcin denominada Densidad Espectral de Potencia (Power Spectral Density - PSD), o simplemente densidad espectral.

Los fenmenos fsicos pueden clasificarse en determinsticos y aleatorios, los cuales son:Las determinantes estadsticas se pueden definir con precisin en funcin de observaciones previas, responden a ecuaciones matemticas y los valores de sus variables se pueden calcular con un grado de incertidumbre pequeo.

Los fenmenos aleatorios no pueden determinarse con exactitud. La evolucin de las variables de estudio con el tiempo no es suficiente para describir o predecir su evolucin general. Para poder conocer algunas de las magnitudes de inters es necesario recurrir a relaciones estadsticas. Un tipo concreto de fenmenos aleatorios de gran inters para el estudio dinmico del vehculo son las vibraciones aleatorias. Las caractersticas estadsticas del movimiento de un sistema excitado aleatoriamente dependen de las caractersticas estadsticas de la excitacin y de las propiedades dinmicas del propio sistema.En este caso, el desplazamiento, la velocidad y la aceleracin son variables aleatorias y resulta imposible predecir el valor que va a tomar cada una de ellas en un instante determinado, por lo que es necesario recurrir a la estadstica para obtener la probabilidad de que el valor de cada una de ellas se encuentre dentro de unos lmites en el instante considerado.

Las ruedas del vehculo estn excitadas verticalmente por las irregularidades de la carretera, que pueden considerarse fenmenos aleatorios y, por tanto, representarse mediante funciones aleatorias (figura 1). Una funcin aleatoriase dice que es si al tomar intervalos suficientementegrandes de la variable,sus caractersticas estadsticas calculadas para cadauno de los intervalosson iguales. Por lo tanto: Cualquier funcin aleatoria estacionaria se puede representar definiendo sus caractersticas estadsticas en un tramo significativo de ella.

Por otra parte, si se toma otro registro del mismo fenmeno aleatorio, y se observa que la funcin obtenida adems de ser estacionaria tiene unas propiedades estadsticas iguales a las del registro previo, se dice que el proceso es ergdico. A la hora de estudiar las irregularidades de la carretera, se supone que su perfil superficial es una funcin aleatoria ergdica, por lo que, estudiando un tramo de la carretera suficientemente representativo, se puede caracterizar toda la carretera, determinando de parmetros estadsticos adecuados, caracterizndose la curva de densidad espectral (Sz ) de sus irregularidades verticales. En la figura 2 se muestran las densidades espectrales correspondientes a diferentes carreteras. En general: Estas densidades son mayores cuanto menores son los valores de la frecuencia espacial. Las irregularidades de las carreteras se pueden representar

como la suma de un nmero casi infinito de irregularidades armnicas cuyas amplitudes disminuyen a medida que aumenta la frecuencia.

Para irregularidades de carretera, la relacin aproximada entre la densidad espectral y la frecuencia espacial es:

Donde:Csp y N son coeficientes que dependen del tipo de carretera. En la siguiente tablase dan valores de estos coeficientespara algunos tiposde carreteras.

Tabla 1: Coeficientes en funcin de la carretera

Tipo de superficieNCsp Autopista uniforme3,84,3 x 10 -11 Autopista rugosa2,18,1 x 10 - 6 Carretera uniforme2,14,8 x 10 - 7 Carretera con grava2,14,4 x 1 0 - 6 Campo arado1,666,5 x 1 0 - 4

Si se tiene en cuenta que, cuando un vehculo circula por una carretera a una velocidad determinada, sus ruedas recorren las irregularidades de la carretera a una velocidad que depende de la de movimiento del vehculo, las irregularidades espaciales z(x) se convierten en excitaciones temporales en el vehculo z(t).

Las frecuencias espacial y temporal se pueden relacionar mediante la expresin:

Entonces, las curvas de densidad espectral de la carretera se pueden transformar en curvas de densidad espectral de excitacin vertical sobre el vehculo (sobre las ruedas):

Conociendo la densidad espectral de excitacin en una rueda y utilizando la funcin de transferencia, se puede obtener la densidad espectral de respuesta en cualquier grado de libertad. Si H() es la funcin de transferencia entre la excitacin vertical en la rueda y su respuesta en un grado de libertad concreto, y Sr () es la densidad espectral de la respuesta, entonces: