La suspensión de un automóvil es un sistema complejo que conecta las ruedas al chasis, permitiendo el movimiento relativo entre ambos. Su función principal es aislar a los ocupantes y la carga de las irregularidades del camino, proporcionando confort y seguridad. Además, la suspensión influye directamente en la estabilidad del vehículo, la tracción y la capacidad de frenado. El diseño, análisis y optimización de la suspensión automotriz son, por lo tanto, áreas cruciales en la ingeniería automotriz.
Fundamentos del Diseño de Suspensión
El diseño de un sistema de suspensión involucra una comprensión profunda de la dinámica vehicular, la mecánica de materiales y los principios de control. Se deben considerar una variedad de factores, incluyendo el tipo de vehículo (turismo, deportivo, todoterreno, etc.), el uso previsto (carretera, circuito, campo), el peso del vehículo, la distribución de la carga, y las características deseadas de manejo. Un error común es simplificar el diseño basándose únicamente en la reducción de vibraciones, ignorando el impacto en la respuesta direccional y la estabilidad.
Es crucial entender que la suspensión no es un sistema aislado, sino que interactúa con otros componentes como la dirección, los neumáticos y el sistema de frenos.
Tipos de Sistemas de Suspensión
Existen diversos tipos de sistemas de suspensión, cada uno con sus propias ventajas y desventajas. Algunos de los tipos más comunes incluyen:
- Suspensión de ballestas: Un sistema tradicional, robusto y económico, pero con características de confort y manejo limitadas. Comúnmente utilizado en vehículos comerciales y todoterrenos.
- Suspensión de eje rígido: Un sistema simple y robusto, donde las ruedas de un eje están conectadas entre sí. Ofrece buena capacidad de carga y durabilidad, pero puede comprometer el confort y el manejo en superficies irregulares.
- Suspensión independiente: Cada rueda se mueve independientemente de las demás, mejorando el confort, el manejo y la tracción. Existen varios tipos de suspensiones independientes, incluyendo:
- Suspensión MacPherson: Un diseño compacto y económico, ampliamente utilizado en vehículos de tracción delantera.
- Suspensión de doble horquilla: Ofrece un control superior de la geometría de la suspensión, permitiendo optimizar el manejo y el confort. Comúnmente utilizada en vehículos deportivos y de alto rendimiento.
- Suspensión multibrazo: Una evolución de la suspensión de doble horquilla, que ofrece un control aún mayor de la geometría de la suspensión, permitiendo un ajuste más preciso de las características de manejo.
- Suspensión de brazo arrastrado: Comúnmente utilizada en el eje trasero de vehículos de tracción delantera, ofrece un buen equilibrio entre confort y estabilidad.
Tipos Principales de Suspensión Independiente
Dentro del espectro de la suspensión independiente, existen varios diseños distintos, cada uno con sus propias fortalezas y debilidades.
Suspensión McPherson
La suspensión McPherson, inventada por Earle S. MacPherson en la década de 1940, es quizás el diseño de suspensión independiente más utilizado en la actualidad, especialmente en el eje delantero de vehículos de tracción delantera. Su popularidad se debe a su simplicidad, bajo costo, y su diseño compacto, lo que la hace ideal para vehículos de producción masiva.
Componentes y Funcionamiento: La suspensión McPherson se caracteriza por un puntal telescópico que integra el amortiguador y el resorte helicoidal en una sola unidad. Este puntal está conectado a la mangueta (el componente que soporta el cubo de la rueda) y al chasis del vehículo a través de un brazo de control inferior. El brazo de control inferior permite el movimiento vertical de la rueda, mientras que el puntal McPherson controla la inclinación y el avance de la rueda, además de absorber los impactos.
Ventajas:
- Simplicidad y Bajo Costo: Menos componentes significan menores costos de fabricación y mantenimiento.
- Diseño Compacto: Ocupa poco espacio, lo que permite un mayor espacio para el motor y otros componentes.
- Buena Absorción de Impactos: El puntal telescópico proporciona una buena capacidad de absorción de impactos.
Desventajas:
- Geometría de Suspensión Limitada: La geometría de la suspensión McPherson puede ser menos precisa que otros diseños, lo que puede afectar el manejo en situaciones extremas.
- Transmisión de Vibraciones: Puede transmitir más vibraciones y ruido a la carrocería del vehículo en comparación con otros sistemas.
- Mayor Desgaste de Componentes: El puntal McPherson está sometido a altas cargas, lo que puede provocar un mayor desgaste de los componentes.
Aplicaciones: La suspensión McPherson es ampliamente utilizada en el eje delantero de automóviles de pasajeros, vehículos compactos, y algunos SUV. También se puede encontrar en el eje trasero de algunos vehículos, aunque es menos común.
Suspensión de Doble Horquilla (o Doble Triángulo)
La suspensión de doble horquilla, también conocida como suspensión de doble triángulo, es un diseño más complejo y sofisticado que la suspensión McPherson. Se caracteriza por el uso de dos brazos de control (horquillas) que conectan la mangueta al chasis del vehículo. Estos brazos de control pueden ser de igual o diferente longitud, lo que permite ajustar la geometría de la suspensión para optimizar el manejo y la estabilidad.
Componentes y Funcionamiento: La suspensión de doble horquilla consta de dos brazos de control (superior e inferior) que tienen forma de "A" o "V". Estos brazos están conectados a la mangueta mediante rótulas y al chasis mediante bujes. El amortiguador y el resorte helicoidal se montan entre los brazos de control y el chasis, o directamente en la mangueta. Su capacidad para proporcionar un excelente manejo y estabilidad la convierte en la opción preferida para vehículos que requieren un alto nivel de rendimiento.
Suspensión Multilink
La suspensión multilink es una variante más avanzada de la suspensión de doble horquilla. En lugar de utilizar dos brazos de control, utiliza tres o más brazos para conectar la mangueta al chasis. Esta configuración permite un control aún más preciso de la geometría de la suspensión y una mayor flexibilidad en el diseño.
Componentes y Funcionamiento: La suspensión multilink utiliza múltiples brazos de control (generalmente tres o más) que se conectan a la mangueta y al chasis. Estos brazos pueden tener diferentes longitudes y ángulos, lo que permite ajustar la geometría de la suspensión para optimizar el manejo, la estabilidad y la comodidad. También se encuentra en algunos vehículos de pasajeros de gama media que buscan mejorar su rendimiento y comodidad.
Suspensión de Brazo Arrastrado (Trailing Arm)
La suspensión de brazo arrastrado es un diseño de suspensión independiente que se utiliza principalmente en el eje trasero de vehículos de tracción delantera. Se caracteriza por un brazo que se extiende desde el chasis hacia atrás, soportando la rueda en su extremo. Este diseño es relativamente simple y compacto, lo que lo hace adecuado para vehículos de producción masiva.
Componentes y Funcionamiento: La suspensión de brazo arrastrado consta de un brazo que se extiende desde el chasis hacia atrás, soportando la rueda en su extremo. El brazo está conectado al chasis mediante un buje, lo que permite que la rueda se mueva verticalmente. El amortiguador y el resorte helicoidal se montan generalmente entre el brazo y el chasis. El movimiento de la rueda está restringido principalmente a un plano vertical, lo que proporciona una buena estabilidad en línea recta.
Ventajas:
- Simplicidad y Bajo Costo: Menos componentes significan menores costos de fabricación y mantenimiento.
- Diseño Compacto: Ocupa poco espacio, lo que permite un mayor espacio para otros componentes.
- Buena Estabilidad en Línea Recta: Proporciona una buena estabilidad en línea recta, especialmente en vehículos de tracción delantera.
Desventajas:
- Geometría de Suspensión Limitada: La geometría de la suspensión de brazo arrastrado es menos precisa que otros diseños, lo que puede afectar el manejo en curvas.
- Menor Capacidad de Absorción de Impactos: Puede transmitir más vibraciones y ruido a la carrocería del vehículo en comparación con otros sistemas.
Aplicaciones: La suspensión de brazo arrastrado se utiliza principalmente en el eje trasero de vehículos de tracción delantera, como automóviles de pasajeros compactos y subcompactos.
Otros Sistemas de Suspensión
Suspensión Neumática
¿En qué consiste? Este método emplea la presión de aire para ofrecer una mejor suspensión y amortiguación del auto. Sustituye al sistema tradicional de muelle helicoidal de acero el cual estaba compuesto por resortes neumáticos que funcionaban utilizando aire comprimido. El sistema de suspensión del vehículo sirve para camiones de carga pesada, pues permite aumentar la carga con ayuda del aire comprimido que se ubica en las cámaras.
Componentes:
- Resortes neumáticos.
- Amortiguadores bitubo con gas presurizado.
- Compresor de aire.
- Rótulas esféricas.
Componentes Clave de la Suspensión
Un sistema de suspensión típico consta de varios componentes clave, cada uno con una función específica:
- Muelles: Soportan el peso del vehículo y absorben las irregularidades del camino. Pueden ser de diferentes tipos, incluyendo muelles helicoidales, ballestas, barras de torsión y muelles neumáticos.
- Amortiguadores: Controlan el movimiento de los muelles, evitando oscilaciones excesivas y mejorando la estabilidad. Pueden ser de diferentes tipos, incluyendo amortiguadores hidráulicos, de gas y electrónicos.
- Barras estabilizadoras: Reducen el balanceo de la carrocería en las curvas, mejorando la estabilidad y el manejo.
- Bujes y rótulas: Conectan los componentes de la suspensión entre sí y permiten el movimiento relativo. Deben ser robustos y duraderos para soportar las fuerzas y vibraciones a las que están sometidos.
- Brazos de suspensión: Conectan las ruedas al chasis y controlan la geometría de la suspensión. Su diseño influye directamente en las características de manejo y estabilidad del vehículo.
Análisis de la Suspensión
El análisis de la suspensión es un proceso crucial para evaluar el rendimiento y la seguridad del sistema. Se utilizan diversas herramientas y técnicas, incluyendo:
- Modelado y Simulación
- Análisis de Elementos Finitos (FEA)
- Pruebas Experimentales
- Análisis Modal
Factores a Considerar al Elegir un Tipo de Suspensión Independiente
La elección del tipo de suspensión independiente adecuado para un vehículo depende de varios factores, incluyendo:
- Tipo de Vehículo: El tipo de vehículo (automóvil de pasajeros, deportivo, SUV, etc.) influye en los requisitos de manejo, estabilidad y comodidad.
- Presupuesto: El presupuesto disponible para el sistema de suspensión afectará la elección del diseño y los componentes.
- Rendimiento Deseado: El nivel de rendimiento deseado (manejo deportivo, comodidad de conducción, capacidad todoterreno, etc.) influirá en la elección del tipo de suspensión.
- Espacio Disponible: El espacio disponible en el chasis del vehículo puede limitar las opciones de diseño de la suspensión.
Cuidados que debes tener con la suspensión
Para cuidar el sistema de suspensión de un vehículo puedes seguir estos consejos:
- Respetar las velocidades permitidas para no sobre exigir los elementos que componen la suspensión.
- Evitar baches, topes o lomos de toros a alta velocidad, ya que puede que sintamos que no pasa nada en la carrocería, pero el sistema se puede dañar.
- Revisa periódicamente la presión de los neumáticos.
Modelos de coches angostos inclinables (NTV's) y su suspensión
Los vehículos angostos inclinables (NTV´s) son la fusión entre un automóvil y una motocicleta, generando una gran expectativa para la nueva generación de transporte urbano, considerando sus dimensiones prácticas y su menor consumo de energía.
Modelos de NTV's
- El Clever
- Furuichi
- SMERA
Diseño del sistema de control
El éxito en el diseño del sistema de control es un reto, debido a que, el vehículo conjuga dos plataformas o sistemas de dirección. Por un lado, el ángulo de deriva depende del giro del timón y el giro de la rueda (automóvil), y por otro lado, el ángulo de deriva, también es afectado por la inclinación o caída que se le dé a las ruedas (motocicleta). De esta manera, el equilibrio entre el funcionamiento de los dos sistemas deberá proveer al NTV la seguridad y confort requeridos.
En este sentido, se han planteado dos mecanismos que permitan direccionar al vehículo, estos son: Control directo de inclinación (DTC) y control de giro por inclinación (STC), los cuales interviene durante las maniobras de giro, cambiando la dirección de las ruedas y su inclinación empleando diferentes actuadores, siendo estos, hidráulicos, o electromecánicos.
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