Jose Angel Infante web
Comportamiento dinámico del automóvil

 

La mayor evolución que ha habido en el automóvil en los últimos 20 años ha sido la mejora en seguridad. Esta puede ser activa, que nos evita el accidente y la pasiva tendente a minimizar los daños una vez que el accidente ha ocurrido. La seguridad activa debe mucho a las enseñanzas de las diferentes competiciones automovilísticas donde tiene gran importancia el comportamiento dinámico del vehículo.
Basándonos en las técnicas usadas en competición vamos a ver de la forma más simple posible como se comporta en movimiento un automóvil, su estabilidad, frenada, las diferentes leyes que influyen, etc.
La mayoría de explicaciones están extraídas de los libros "La suspensión automóviles de competición" de Orlando Ríos y "Competition car suspension" de Allan Astanifort

El neumático es el elemento más importante, es el elemento que une el suelo con el coche, pero para que trabaje en las mejores condiciones las suspensiones tienen que hacer un buen trabajo adaptándose a las variaciones dinámicas del coche (aceleración, frenada, giros, viento, etc) en funcón de los centros de gravedad, balanceo, aerodinámica, etc.

Adherencia
Un coche debe ser capaz de acelerar, frenar, cambiar rápidamente de dirección, virar perdiendo la menor velocidad posible, para transmitir o resistir contra el suelo todas las fuerzas que actúan sobre el depende de la adhrencia.Podemos entender la adherencia con un ejemplo:
Si movemos una goma de borrar con una pequeña presión sobre una superficie rugosa vemos que tiene una ligera resistencia
Si movemos la misma goma sobre un cristal o superficie deslizante manteniendo la misma presión vemos que la resistencia disminuye
Si la movemos sobre la misma superficie aplicando una fuerza varias veces mayor vemos que la resistencia aumenta
Podemos deducir dos conclusiones
   La textura sobre la que apoya la goma influye en la resistencia
   La presión que hacemos sobre la goma influye en la resistencia

Si esta misma goma la frotamos con la misma presión sobre una superficie de cristal veremos que la resistencia se reduce mucho.
Si aumentamos la presión 5 o 6 veces sobre la misma goma y hacemos la misma fuerza lateral veremos que la resistencia aumenta mucho.
De aquí deducimos dos conclusiones.
  La textura de la superficie sobre la que apoya la goma influye en su resistencia al deslizamiento o en su agarre
La presión ejercida sobre la goma aumenta su resistencia

Ahora vamos a coger una goma más dura y haciendo el mismo ejercicio observaremos que se desliza con mayor facilidad que la blanda, si queremos que agarre tenemos que hacer más presión, aquí sacamos otra conclusión.
La dureza de la goma influye en su agarre, la goma más blanda penetra más en la superficie rugosa que la dura.

Coeficiente de fricción
Un tipo determinado de goma bajo presión sobre un determinado tipo de pavimento tiene una resistencia intrínseca
que se llama coeficiente de fricción o rozamiento.
Este coeficiente es un una cualidad propia de la adherencia que existe en ese momento entre ambos elementos.
La adherencia es  (A) es directamente proporcional al peso incidente (P) y al coeficiente de fricción (cf) ver figura.

rozamiento

Con los neumáticos sucede algo especial, porque al ser elásticos pueden ejercer fuerzas en cualquier sentido superiores a la carga vertical aplicada sobre él, la relación entre la fuerza ejercida y la fuerza aplicada (carga vertical que equivale a la suma del peso más la carga aerodinámica) nos dá un número que es el coeficiente de fricción.
Por ejemplo, si un neumático tiene aplicada sobre él una fuerza de de 300 kg y 200 kg  en sentido lateral (por estar en curva) el coeficiente de fricción es de 1,5 (300/200)
Es por tanto importante tener en cuenta que un mayor valor de adherencia permite acelerar más, frenar mejor, cambiar de dirección más rápidamente y virar a mayor velocidad.
Como vimos en el ejemplo de la goma
Un neumático más blando tendrá un coeficiente de fricción superior a uno más duro
Pero hay otros factores que intervienen en el coeficiente de friccion del neumático como veremos ahora

Coeficientes de fricción en neumáticos de turismo según la superficie
- Alquitrán seco = 0'9
- Asfalto rugoso seco = 0'8
- Adoquines = 0'6
- Asfalto rugoso húmedo = 0'5
- Asfalto gastado húmedo = 0'4
- Adoquines húmedos = 0'3
- Hielo = 0'1
NEUMATICOS
Todo gira alrededor del neumático, como hemos visto la forma de acelerar, frenar, cambiar de dirección y mayor velocidad en curva dependen de una mayor adherencia del neumático y todo el trabajo de las suspensiones y chasis está encaminado a conseguir el máximo agarre en todas circunstancias, por eso es tan importante que todos los cálculos se hagan en función del neumático que se monte. En competición donde a veces los reglamentos imponen los neumáticos se estudia el coche a partir del neumático, en coches de calle o competición a partir de coches de serie escoger el neumático más adecuado al diseño dinámico del vehículo
deriva neumaticoAngulo de deriva
Todos hemos visto que en curvas muy cerradas las dirección muy girada pero el coche no sigue exactamente la trayectoria deseada sino que se abre algo más y vemos el neumático se flexiona en sentido lateral.
El ángulo de deriva es la desviación entre la trayectoria real y la indicada por el plano de la llanta
Este ángulo es independiente del ángulo con que se gira la dirección, las ruedas traseras también tienen deriva, esta se crea cuando hay una fuerza lateral, por ejemplo viento lateral.
El ángulo de deriva influye sobre el coeficiente de fricción y por tanto sobre la adherencia.
Cada neumático en función de sus características constructivas tiene su propio ángulo de deriva, los neumáticos de competición tienen mayor agarre a menor ángulo de deriva que los de serie como se puede ver en el dibujo de la derecha, también se puede observar que la caída es más brusca y por tanto la pérdida de adherencia más brusca, en general los perfiles más bajos tendrán menor deriva.
Los neumáticos con más deriva son más progresivos y avisan de que el coche se vá, los de competición o muy deportivos tienen una pérdida de adherencia más brusca siendo menos controlables en este caso.
angulo de deriva
tipos de caida

Caída
La mejor forma de conseguir la máxima adherencia es hacer que en cada situación el neumático pise en las mejores condiciones posibles (generalmente perpendicular al suelo) pero con las variaciones dinámicas que se producen esto no siempre es posible, por eso a los neumáticos a través de la suspensión se les dá unos ángulos en estático para que con las variciones dinámicas trabajen en las mejores condiciones posibles, uno de estos ángulos es la caída.
Es el ángulo que forma el plano de la rueda con respecto a la vertical, y como se vé en la imagen de la izquierda puedevariacion caida ser neutra, positiva o negativa.
Como se puede ver en el gráfico de la derecha la mayor adherencia se consigue con caídas negativas hacia neutro y empeora con caída positiva
Pero como se vé en la otra figura a mayor variación de caída hace que pierda contacto un mayor parte de banda de rodadura y cuanto más goma en contacto tendremos más adherencia, esto es especialmente importante en frenada ya que una importante caída negativa hace inestable la frenada, no obstante la mayor fuerza de viraje se consigue con una pequeña caída negativa, también se produce un empuje de caída.
Una forma de tener más contacto de la banda de rodadura es dar más flexibilidad a los flancos del neumático
Cada neumático tiene su flexibilidad y cada coche su geometría de suspensión y cuando la caída es regulable hay que adaptarla a las variaciones dinámicas para hacer que el neumático apoye lo mejor posible

variación caidas
Presiones
El coeficiente de fricción aumenta con la presión pero a partir de cierto valor de presión el área de contacto del neumático con el suelo se deforma, si la presión es excesiva la parte central sobresale disminuyendo el contacto de los costados, si la presión es baja son los bordes los que hacen más contacto y menos la parte central, el neumático tiene más deriva, es más lento a los cambios de dirección, se calienta más y tiene mayor resistencia a la rodadura aumentando el consumo.
La mejor forma de ver la presión idónea es medir la temperatura en los laterales y el centro de la banda de rodadura, si es menor en el centro la presión es baja y si es en los laterales es baja, siempre medidas en las condiciones normales de trabajo.
La presión varía con la temperatura, es por tanto necesario hinchar los neumáticos para conseguir la mejor eficacia en las condiciones de trabajo, se pueden hinchar con nitrógeno que tiene mayor estabilidad a los cambios de temperatura. En alta competición se usan mezclas de gases para mejorar el comportamiento.
presion de neumaticos
temperatura neumático
Temperatura
La viscosidad de la goma de un neumático cambia con la temperatura, la composición quimica está formulada para conseguir el mejor granulado neumaticoen una banda de temperatura, más estrecha en los de competición (90-100º) cuando el neumático está en su temperatura óptima de trabajo la superficie de la banda de rodadura se vuelve más blanda penetrando mejor en el granulado del pavimento consiguiendo la máxima adherencia, cuando se calienta demasiado la goma se desprende más facilmente, aumenta la resistencia a la rodadura y aumenta el desgaste.
La temperatura del neumático procede de varias fuentes: temperatura ambiente y del asfalto, calor desprendido por los frenos, presión de hinchado, peso incidente, fuerza de viraje, construcción y flexión de la carcasa.
En competición se suele ver como ponen unos calentadores en las ruedas para mantenerlas a la temperatura idónea antes de la salida o cambio y es el motivo por el que cuando por algún incidente se ralentiza la carrera los coches van haciendo zig-zag, es para mantener calientes los neumáticos.
carga verticalCarga vertical
Influye sobre el coeficiente de fricción (Cf) a medida que la carga aumenta el Cf disminuye aunque como se puede ver en la figura de la izda es una variación suave.
Se dan dos circunstancias opuestas el mayor peso nos dá un menor Cf específico pero pero el aumento de la carga compensa el menor Cf y aumenta la capacidad de tracción de la rueda.
Entender este fenómeno nos ayuda a entender como afectan al comportamiento del coche las transferncias de pesos.
Vamos a suponer un tren trasero cuyas ruedas con un Cf de 1.2 soportan 200 kg cada una, o sea la fuerza de aherencia de los neumáticos es de 240 kg cada uno, por efecto de la aceleración se transfieren del tren delantero al tren trasero unos 100 kg por rueda, como vemos en la fig 9 el Cf para 300 kg es 1 pero como la adherencia es el producto del Cf por el peso incidente vemos que el neumático puede ejercer en este momento 300 kg de fuerza de tracción, esto explica porque los tracción trasera tienen una mejor motricidad, al acelerar siempre hay una transferencia de pesos hacia atrás
En la Fig 10 vemos que sucede al girar en este caso hacia la dcha, la capacidad de tracción del eje es de 480 en línea recta (240 kg por rueda), en el giro se produce una transferencia de la rueda interna a la externa, tenemos entonces 320 kg y un CF de 0.9 en la externa con lo que la fuerza de viraje será de 288kg.
La rueda interior tiene mayor Cf (1.3) pero por la transferencia solo tiene 80 kg con lo cual tiene una fuerza de viraje de 104 kg. Sumando la fuerza de ambas ruedas 288+104=392 kg .
Se comprueba que la transferencia de de pesos entre ruedas de una mismo eje nos quita fuerza de viraje en ese eje.
De no haber existido transferencia la aceleración lateral posible hubiera sido 480/400=1.2 G pero en el caso del virage con transferencia tenemos 392/400=0.98 G
transferencia de pesos en curva

--circulo tracción
Círculo de tracción
El neumático tiene unas características de adherencia en tracción, frenada y lateral que es lo que se conoce como circulo de tracción o Kamm.
Es variable en función de las condiciones de adherencia y las fuerzas que actúan sobre el neumático.
El mejor piloto es el que llega al límite en cada una de las condiciones de conducción, si se queda corto (verde en el gráfico) no aprovecha todas las posibilidades, si lo supera(rojo en el gráfico) patinará en tracción, bloqueará en una frenada y derrapará en curvas, si está en el límite (amarillo en el gráfico) aprovechará al máximo la adherencia del neumático.
En el dibujo de la derecha se vé circulo de tracciónun conductor A lento, otro B bastante más rápido y el C que llega un poco más al límite.

CENTROS DE BALANCEO

Cuando un coche gira la fuerza centrífuga que actúa a través del centro de gravedad produce una transferencia de pesos que comprime las suspensiónes del lado exterior de la curva. La masa suspendida (el chasis del coche) tiende a balancearse girando alrededor de un punto imaginario que es el centro de balanceo (roll center). balanceo
centro de balanceo
El centro de balanceo CB es un punto imaginario alrededor del que balancea el coche, en este caso en una suspensión de doble triángulo
eje de balanceo
La línea imaginaria que une el centro de balanceo y el trasero se llama eje de balanceo, el centro trasero suele estar más alto. La distancia D es la fuerza de palanca usada por la fuerza centrífuga para balancear a través del centro de gravedad CG aplicando el par total de balanceo. Este par se puede modificar actúando sobre la dureza de muelles y estabilizadoras.
TRANSFERENCIA DE PESOS
TRANSFERENCIA LONGITUDINAL
Cada vez que un coche hace un movimiento en aceleración, retención, frenada, giro, etc hay una transferencia de pesos que podemos ver en la compresión de las suspensiones. Puede ser longitudinal (p. ej. al acelerar) transversal (al girar) o combinada (p.ej. al coger una curva frenando o acelerando).
Como hemos visto el coeficiente de fricción de los neumáticos depende del peso incidente sobre ellos y que la adherencia también es proporcional al peso, por ello hay que desarrollar las suspensiones para optimizar el comportamiento en las distintas condiciones variables de transferencia.
Al acelerar se transfiere peso hacia el eje trasero, el delantero se descarga y hay menos capacidad de tracción, por eso los tracción trasera tienen mejores condiciones de aceleración, más cuando el terreno es hacia arriba.
Al frenar sucede lo contrario, el tren trasero se descarga y el delantero se comprime además cambia la geometria de suspensiones, por eso la frenada es mayor en el tren delantero.
Para disminuir estos efectos se diseñan las suspensiones con efecto antihundimiento (anti squat, anti dive). Para el hundimiento longitudinal se diseñan las articulaciones con un ángulo que ayude a controlar estos movimientos en función del centro de gravedad CG.
angulos antihundimiento
TRANSFERENCIA TRANSVERSAL
Al tomar una curva la fuerza centrífuga hace que haya una transferencia de peso hacia la rueda del exterior de la curva. Es directamente proporcional a la fuerza centrífuga y al centro de gravedad e inversamente proporcional a la vía (anchura entre centros de ruedas) del vehículo.
Esta transferencia se manifiesta por el balanceo de la carrocería y hace que los neumáticos del interior de la curva pierdan capacidad de adherencia lateral, tracción y frenada, y los del exterior aumentan la adherencia.
El balanceo produce una modificación de los ángulos de suspensión que hace que la pisada del neumático no sea la ideal.
La transferencia de pesos lateral no está producida por el balanceo sino al revés.
Es la suma de los dos ejes pero en cada eje es diferente, para controlarlo hay que tener en cuenta esto para conseguir el efecto deseado en combinación con la transferencia longitudina para controlar el paso por curva con frenada, retención, baches, etcl.
Para controlar el balanceo se recurre a: control del centro de gravedad, variación de vía, dureza de los muelles y sobre todo la barra estabilizadora.
En un coche de competición no es tan importante pero en un turismo es necesario conseguir un equilibrio entre balanceo y confort.
transferencia de pesos lateral
BARRA ESTABILIZADORA
La barra estabilizadora (ANTI ROLL BAR) es una barra de torsión en acero (en competición se pueden usar de fibras) que une las suspensiones de ambos lados del mismo tren. Puede ir unida a la supensión por tirantes, bieletas o directamente y al chasis por silent-blocks.
Al comprimirse un lado de la suspensión se torsiona transfiriendo parte del peso a la otra rueda disminuyendo el balanceo.
barra estabilizadora
medidas de barra estabilizadora La torsión y por tanto el balanceo depende de: el material, diámetro de la barra (A) la longitud (L) y la longitud de palanca (X) o las bieletas de anclaje.
Al endurecer la barra estabilizadora (por variación de diametro o longitud de palanca o otro) se aumenta el poder antibalanceo sin endurecer la suspensión cuando ambas se comprimen o extienden por igual, pero cuando en recta hay irregularidades o baches en la carretera se producen movimientos del chasis muy incómodos y variaciones que necesitan corrección por el conductor.
MUELLES
La suspensión necesita de un elemento elástico que absorba las irregularidades del suelo, se pueden utilizar barras de torsión, cojines neumáticos, elastómeros, ballestas, elementos de carbono, gas, etc. pero lo más habitual son los muelles.
Los muelles acumulan energía al comprimirse y la liberan al extenderse en varios ciclos (que tienen que controlar los amortiguadores) oscilando con una frecuencia "natural" . La transferencia de pesos también influye en la compresión o extensión de los muelles por lo que su dureza también influye en el comportamiento.
La principal característica de los muelles aparte de las medidas es la tensión, se mide habitualmente en kilos/centímetro o libras/pulgada. Es el grado de compresión del muelle al aplicarle un peso, pero hay que tener en cuenta la palanca que hace la suspensión desde la rueda al muelle.
También hay que tener en cuenta la variación entre el ángulo de desplazamieto de la rueda y el muelle para que la variación de tensión sea constante o creciente, en las suspensiones inferiores se vé este efecto.
Suspensión push rod Las difernecias entre la suspensión Push-rod (empujada) y Pull-Rod (tirada) están en la situación del tirante y el balancín de articulación, en la Pull-rod va situada abajo permitiendo un centro de gravedad más bajo y una aerodinámica más limpia. suspensión pull rod
El resultado es la tensión en la rueda que es lo que finalmente interesa. Hay que tener en cuenta la eventual deformación de los brazos de las articulaciones.
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