FLUIDOS MAGNETOREOLÓGICOS.

INTRODUCCION.

La suspensión de un vehículo tiene como finalidad atenuar las perturbaciones

experimentadas por el auto al desplazarse por la carretera y al mismo tiempo

mantener las ruedas en contacto con la misma. De lo anterior, los objetivos

principales que debe alcanzar la suspensión son, asegurar el confort en la

marcha y la estabilidad del vehículo. Dentro de estos dos objetivos principales,

se puede subdividirlos en los siguientes:

1. Absorber las desigualdades del terreno, aislando a la carrocería de las

irregularidades de la carretera.

2. Mantener la posición de los neumáticos y la geometría de la dirección

en perfecto estado de funcionamiento respecto a la superficie de la

carretera.

3. Reaccionar a las fuerzas de control que se transmiten desde las ruedas:

fuerzas longitudinales (aceleración y frenado), fuerzas laterales (en el

giro), y pares de dirección y frenado.

4. Resistir el balanceo de la carrocería.

Como ya se mencionó anteriormente el sistema de suspensión tiene como

función el absorber o atenuar las reacciones producidas en las ruedas por las

irregularidades del terreno, asegurando la comodidad de los pasajeros, la

protección de la carga y los componentes mecánicos del vehículo. Este

funcionamiento se obtiene con la combinación de los neumáticos, la elasticidad

de los asientos, y el sistema elástico de suspensión.

Para pequeñas irregularidades de la carretera, son los neumáticos los

encargados de absorber las mismas, pero, su misión mas importante es la de

garantizar el agarre sobre la carretera y una marcha silenciosa del vehículo.

Cuando las irregularidades de la carretera son grandes, entra en acción el

sistema de suspensión elástica generando oscilaciones en las ruedas, las

mismas que serán más grandes mientras más blanda sea el sistema. Las

oscilaciones generadas por el sistema de suspensión deben ser amortiguadas

rápidamente para asegurar el contacto de las ruedas con el terreno.

Se pueden diferenciar tres tipos de oscilaciones (producidas por las

irregularidades del terreno o por una conducción defectuosa, y a una carga

unilateralmente distribuida):

1. Oscilaciones de empuje, que son producidas al pasar sobre un terreno

ondulado.

2. Oscilaciones de cabeceo, producidas en los frenados bruscos.

3. Oscilaciones de bamboleo, producidas al tomar las curvas a alta

velocidad.

En la figura 1.1 se muestra los tipos de oscilaciones descritas anteriormente.

1

31

21

21

131

Figura 1.1 Oscilaciones del cuerpo del vehículo

Los automóviles viajan a elevada velocidad, y por ello están sometidos a un

amplio espectro de vibraciones. Estas vibraciones se transmiten a los

pasajeros de forma táctil, visual o audible. El término vibraciones se usa

normalmente en referencia a vibraciones táctiles y visuales, mientras que las

vibraciones audibles se definen como ruido.

El espectro de vibraciones se puede dividir de acuerdo con la frecuencia y

clasificarlas como vibraciones (0-25 Hz) y ruido (25-2500 Hz). Para entender el

entorno de vibración del vehículo hay que analizar las fuentes de excitación de

las vibraciones, la respuesta del vehículo, la percepción humana y tolerancia al

a las vibraciones, ya que el ambiente generado por las vibraciones es una del

los criterios más importantes por el que la gente juzga el diseño y la calidad de

construcción del auto.

Si se toma en consideración únicamente a las frecuencias verticales, la gama

existente puede ser dividida en tres tipos:

1. Oscilaciones de empuje.2. Oscilaciones de cabeceo.3. Oscilaciones de bamboleo

1 – 3 Hz: Correspondiente a las frecuencias naturales de la carrocería.

5 – 40 Hz: Frecuencias de oscilación de las masas no suspendidas

(generalmente entre 10 y 20 Hz).

40 – 250 Hz: Oscilaciones producidas en las masas no suspendidas,

debidas a las vibraciones naturales en los neumáticos.

Existen múltiples fuentes de excitación por las que se originan las vibraciones

en el vehículo, estas fuentes pueden dividirse en dos grandes grupos:

1. Ajenas al vehículo o indirectas: son las que se transmiten a la masa

suspendida a través de las masas no suspendidas y cuyo principal

exponente es el estado del terreno, es decir, las irregularidades por

donde tiene que desplazarse el vehículo.

2. Propias del vehículo o directas: son las ejercidas sobre la masa

suspendida por elementos contenidos o apoyados en ella, es decir, son

fuentes de excitación de vibraciones que están incorporadas al propio

vehículo y que surgen principalmente de componentes giratorios o

rotativos del mismo, como son los conjuntos llantas/neumáticos, el

sistema de tracción/transmisión, el motor y las acciones aerodinámicas.

PERCEPCIÓN Y TOLERANCIA DEL CUERPO HUMANO A

LAS VIBRACIONES.

Existen muchos estudios e investigaciones realizadas para determinar el rango

de frecuencias de vibraciones a las que el cuerpo humano responden con

síntomas de fatiga, malestar, etc. al conducir o circular en un vehículo.

Hay que considerar que existe el riesgo de que alguna zona del cuerpo entre

en resonancia con la frecuencia de excitación; claro esta que cada cuerpo

responde diferente a las vibraciones y según el sentido de éstas.

El cabeceo produce sensación de náuseas y alteraciones en el laberinto

auditivo que modifica el sentido del equilibrio. Si el aparato vestibular y el

líquido coclear del oído interno están sometidos de forma continua a

aceleraciones lineales y/o angulares de frecuencias entre 0.5 y 0.75 Hz, se

produce vértigo y mareo. Las frecuencias de 5 - 6 Hz causan fatiga general,

debida a la resonancia de los músculos. Los objetos de la región visceral se

ven afectados por frecuencias entre 5 y 7 Hz. La entrada en resonancia del

diafragma (4-8 Hz) o la cara frontal del tórax (10-50 Hz) produce dificultades

respiratorias. La cabeza y el cuello son muy sensibles a las vibraciones que

varían entre los 18 y 20 Hz, y las frecuencias del orden de los 20 Hz son

perjudiciales para las vértebras cervicales.

En función de los experimentos realizados, se ha llegado a unas frecuencias de

resonancias para otras partes del cuerpo que son:

Pierna flexionada (sentado): 2 Hz

Pierna rígida: 20 Hz

Torso superior (hombro): 4-5 Hz

Antebrazo: 5-10 Hz

Columna vertebral (axial): 10-12 Hz

Brazo: 16-30 Hz

Mano: 30-50 Hz

Globo ocular: 20-90 Hz

La vibración transmitida al globo ocular produce una pérdida de agudeza en la

visión.

En general, parece que las frecuencias verticales que resultan más incómodas

para el ser humano se encuentran entre 20 y 200 Hz, aunque la fatiga aparece

más rápidamente cuando las vibraciones están entre 4 y 8 Hz o por debajo de

0.75 Hz, y en ellas pueden aparecer vértigo y mareo.

Las frecuencias laterales o longitudinales en el mismo rango también molestan

porque alteran el mecanismo de equilibrio del oído interno.

En conclusión se ha determinado que las frecuencias aceptables están entre 1

y 2 Hz, jugando el asiento un papel fundamental en la sensación de confort,

cuyos muelles deben tener sus frecuencias naturales alejadas de las

solicitaciones transmitidas al casco de la carrocería, para evitar problemas de

resonancias.

ELEMENTOS DE LA SUSPENSIÓN.

En la figura 1.2 se muestra de forma esquemática la composición de la

suspensión.

Figura 1.2 Esquema de suspensión

Las masas no suspendidas 2 están constituidas por las ruedas, los frenos, los

puentes rígidos, y la parte de las suspensiones, bielas o brazos de empuje y

reacción, varillaje de la dirección, etc. los cuales de unen por un extremo al

conjunto de la rueda y el otro al bastidor o la carrocería.

El neumático 1 interpuesto entre las masas no suspendidas y el suelo.

Las masas suspendidas 4 están integradas por el bastidor, el grupo

motopropulsor, el diferencial suspendido (en un caso), los mandos de dirección

y frenos, la carrocería, los pasajeros, etc. y parte de los elementos citados

anteriormente.

Los muelles 3 que están interpuestos entre las masas no suspendidas 2 y las

suspendidas 4 y los amortiguadores 7, que son los órganos elásticos de lo

que se conoce como sistema de suspensión.

El almohadillado 5 y la forma del asiento 6 contribuyen con la suspensión a

proporcionar comodidad al pasajero.

Como se explico anteriormente las irregularidades pequeñas en las carreteras

son absorbidas por los neumáticos sin llegar a afectar la suspensión, así mismo

los esfuerzos laterales como las curvas y los longitudinales como aceleraciones

y frenadas, son en buena parte atenuadas por la flexibilidad transversal y

longitudinal de los neumáticos.

Cuando las irregularidades son grandes, los impactos que sufren las ruedas

provocan una compresión o una distensión en los muelles de la suspensión,

dependiendo si es una saliente o un bache de la carretera. En condiciones en

las que el vehículo se mantiene estático, el peso del mismo gravita en los

muelles, sometiéndolos a un prensado manteniendo al sistema en equilibrio.

Hay que tomar en consideración que las masas suspendidas, debido a su

inercia, tienden a seguir su trayectoria inicial.

Al pasar la rueda sobre una saliente es impulsada hacia arriba, almacenando

energía en el muelle comprimido, a continuación, el muelle se expande y hace

subir la carrocería. Como la energía transmitida a la carrocería (masas

suspendidas) es la generada por la rueda, y aquella tiene un peso muy superior

al de las masas no suspendidas, su recorrido vertical será muy inferior al de la

rueda, esta es una de las razones muy importantes por las que el peso de las

masas no suspendidas sea el menor posible. Después de que la energía

acumulada en el muelle se termina, la carrocería baja comprimiendo

nuevamente al muelle, que vuelve a acumular energía, y al expandirse vuelve a

levantarla, dando origen a un movimiento oscilatorio que continúa hasta ser

amortiguado. Lo mismo sucede cuando la rueda cae en un bache, en este caso

la carrocería baja por falta de sustentación y comprime el muelle, añadiendo a

esto el efecto que la rueda produce al subir del bache, luego después se

produce el mismo proceso anterior.

Cuando la rueda pasa sobre un obstáculo importante, el impacto que se

transmite a la carrocería es mayor cuanto más blanda sea la suspensión y más

deprisa vaya el vehículo, causando choques desagradables en los pasajeros y

sometiendo a los elementos constructivos a esfuerzos mayores a los

normales, los cuales pueden causar hasta una rotura de piezas. Para vehículos

que están diseñados para circular por terrenos muy irregulares, las

suspensiones son duras. Como dato adicional una suspensión blanda genera

frecuencias en la carrocería menores a los 50 Hz; las suspensiones duras

generan frecuencias mayores a 100 Hz.

La misión de los amortiguadores es hacer disminuir la amplitud y la aceleración

lo más rápido posible, hasta llegar a una posición de equilibrio del sistema.

Las barras estabilizadoras tienen como objetivo de contrarrestar la inclinación

del vehículo cuando toma las curvas a gran velocidad, conocido también como

efecto bamboleo, que hace que se comprima los muelles delantero y trasero

que se encuentran a la parte exterior de la curva, y expandir los muelles que se

encuentran al interior de la misma.

CLASES DE MUELLES.

Los muelles se construyen de acero de alta calidad, confiriéndole la elasticidad

deseada mediante diversos tratamientos; los mulles pueden ser de tres clases:

a. Ballestas.

b. Muelles helicoidales.

c. Barras de torsión.

a. Ballestas.

La ballesta figura 1.3, es un elemento que se comporta como un resorte de

flexión, puede soportar aparte de los esfuerzos de flexión, esfuerzos cortantes

y poseen un determinado amortiguamiento propio, debido a la fricción que se

produce entre las hojas cuando se flexionan.

Esta constituida por varias hojas de acero especial para muelles, las cuales

tienen distintos radios de curvatura, adoptando una forma semielíptica. La hoja

superior se denomina hoja maestra, que asume la función de guía de los

muelles así como de los ejes, en general es más larga y gruesa que las demás

hojas y en los extremos posee unos terminales llamados ojos. Las hojas se

unen mediante abrazaderas y un eje rígido (otros tipos de ballestas las hojas se

unen mediante el llamado perno capuchino). Dado que no pueden ser fijadas

de forma rígida al vehículo por la deformación elástica que se produce en la

ballesta, se conecta a través de un dispositivo llamado gemela.

Figura 1.3 Conjunto de la ballesta y fijaciones.

Como se puede observar en la gráfica, las hojas van disminuyendo

escalonadamente de longitud desde las superiores (más largas) a las inferiores

(más cortas). La razón para este escalonamiento es conseguir una resistencia

a la flexión aproximadamente uniforme en todas las secciones de la ballesta.

Aunque han sido la clase de resorte utilizado comúnmente en todo tipo de

vehículos, actualmente las ballestas se usan poco en los automóviles de

turismo, peor si se emplean en muchos vehículos todo terreno y en los

vehículos industriales.

b. Muelles helicoidales.

Los muelles o resortes helicoidales son en la actualidad los más utilizados en

los automóviles, se emplean tanto en la suspensión delantera como la trasera.

Sus propiedades elásticas dependen del diámetro de la espira, de la distancia

entre espiras (paso de la espira), y del diámetro y las propiedades del hilo

utilizado. El coeficiente del resorte es calculado para hacerlo compatible con

cada automóvil; en algunos casos esto es distinto de derecha a izquierda.

a b c d

Los muelles están diseñados para soportar en forma adecuada la carga según

su dirección longitudinal, y proporcionar al mismo tiempo una conducción suave

y blanda como sea posible.

Figura 1.4 Clases de muelles helicoidales: a. Flexibilidad constante

b, c, d. Flexibilidad variable.

En la figura 1.4 se muestran distintas clases de muelles. Cuando el diámetro de

las espiras y el paso son constantes (detalle a) su flexibilidad es constante. Al

hacer mayor el paso de las espiras centrales (detalle b) se consigue que las

espiras externas se flexen primero, y al aumentar la carga lo hagan las del

medio. El mismo efecto se logra con los muelles cónicos (detalle c), donde

primero se comprimen las espiras de mayor diámetro. El muelle en forma de

doble cono (detalle d) tiene las espiras centrales más separadas, siendo este

muelle de flexibilidad variable.

c. Barras de torsión.

En varios diseños actuales (sobretodo de turismo) se utilizan barras de torsión

como elementos elásticos, especialmente en suspensiones independientes. En

la figura 1.5 se muestra la constitución de un a barra de torsión la cual puede

ser de sección circular o rectangular. La barra de torsión esta sujeta al bastidor

y se conecta indirectamente con la rueda. En algunos casos el extremo trasero

de la barra esta fijo al chasis y el delantero al brazo de control de la

suspensión, que actúa como palanca; al moverse verticalmente la rueda, la

barra se tuerce. Las barras de torsión pueden estar montadas

longitudinalmente o transversalmente. Las barras de torsión están hechas de

una aleación tratada por calor para el acero, durante la manufactura son

precisamente estiradas para darles una resistencia contra la fatiga.

Figura 1.5 Barra de torsión