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• Rodrigo Barceló

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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MOTORES

PUESTA A PUNTO DE SUSPENSIONES Y CHASIS PARA COMPETICIÓN

Manual del Curso Año 2008

Aristóbulo del Valle 5125 Villa Ballester - Bs As - Argentina 4767-4878 e-mail: [email protected] www.cursositm.com.ar

Puesta a punto de suspensiones y chasis para competición

CUADERNO DE CONOCIMIENTO

“La reproducción o transcripción total y parcial de este material está prohibido, salvo expresa autorización por escrito de ITM Instituto Tecnológico de Motores”

Las informaciones contenidas en este manual son exclusivamente para complementar el curso estando sujetas a modificaciones sin previo aviso

Bibliografía de referencia: - Tecnologías avanzadas del Automóvil de J.M. Alonso – Ed Paraninfo - Madrid – 95. - Preparación de Motores de serie para Competición de Stefano Gilliere – Ed. Ceac – Barcelona -2000. - El Equipo de Competición de Joseph Castañé. Ed. Ceac – Barcelona – 2000. - Automóviles de Competición de Orlando Ríos. Ed. Ceac – Barcelona – 2000. - Trucaje de motores de 4 tiempos de Miguel de Castro Vicente – Ed. Ceac – Barcelona – 95. - Aerodinámica del automóvil de competición de Simon McBeath – Ed. Ceac – Barcelona – 2000. - Transmisión y Suspensión de José Manuel López Vicente – E. Thema – Madrid – 97.

Marzo 2008

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Introducción Para abordar el estudio de los sistemas y componentes del diseño y la construcción de chasis para automóviles de competición que trataremos en este curso, es necesario utilizar el presente manual como soporte didáctico para conocer el diseño, el funcionamiento, la verificación y la medición de todos los elementos que conforman el sistema de suspensión y chasis. Este manual denominado Puesta a punto de suspensiones y chasis para competición, recoge los contenidos básicos necesarios para poder abordar el estudio, diseño, construcción y puesta a punto de chasis en automóviles de competición. El presente trabajo se caracteriza fundamentalmente por la sencillez del lenguaje utilizado, así como la forma y síntesis de los contenidos manteniendo el rigor técnico que un curso como este requiere. Cada tema se complementa con dibujos y gráficos que facilitan la comprensión de los contenidos previos. El objetivo fundamental de este manual, es el de conseguir la máxima claridad posible y acudir siempre a lo práctico con preferencia a los largos estudios teóricos de una de las más importantes nuevas tecnologías que actualmente se han incorporado en la competición deportiva.

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CUADERNO DE CONOCIMIENTO

CONCEPTOS BÁSICOS DE FÍSICA Fuerza Es toda causa que mueve o tiende a mover un cuerpo. Existen dos conceptos sobre la definición de la fuerza: 1º Definición estática: es la fuerza que produce sobre un cuerpo deformable (resorte) una deformación cualquiera. 2º Definición dinámica: es aquella capaz de comunicar a un cuerpo en movimiento una aceleración. Es un concepto que uno ya intuitivamente conoce sin necesitar una definición. Lo que si debemos, es establecer una diferencia entre los distintos tipos o naturaleza de las fuerzas.

Las fuerzas de mayor importancia para nuestro estudio son las de:

- Fuerza de atracción gravitatoria (Peso) Éstas por su comportamiento son similares a las magnéticas. El comportamiento que tiene la tierra con los cuerpos que sobre ellas se encuentran es similar al que puede tener un gran imán sobre un cuerpo metálico. De no existir esta fuerza de atracción las gotas de lluvia no caerían, quedarían suspendidas como lo hacen los astronautas quienes por estar tan alejados de la tierra esta fuerza vale cero.

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Esta fuerza la denominamos fuerza peso del cuerpo. En el caso particular del automóvil, cada uno de las partes que lo componen tiene su peso

Todas las fuerzas de cada una de las partes pueden ser reemplazadas por una que llamamos peso total del automóvil y la podemos considerar aplicada en un punto que llamamos centro de gravedad C.G. La ubicación de este punto es de suma importancia en el desarrollo de este curso.

- Fuerzas de Inercia: Estas fuerzas están definidas por la aceleración que pueda tener el cuerpo (1). La aceleración es producida en un cuerpo, cuando se dan variaciones de su velocidad en el tiempo. Si esta se mantiene constante la aceleración es cero como cuando este detenido y no aparece ninguna fuerza de inercia.

Sobre un cuerpo que se mueve a velocidad constante sobre una línea recta no actúa ninguna fuerza de inercia.

¿Puede ocurrir que sobre el vehículo que transita a velocidad constante exista una fuerza de inercia? Si es posible pues la aceleración se pone de manifiesto tanto cuando aumenta o disminuye la velocidad, como en un frenaje o una aceleración. O cuando aparece un cambio en la dirección de la velocidad, como el que le queremos imponer a un auto para ingresar a una curva aparecen las llamadas fuerzas centrípetas y centrífugas que tienen estos nombres pero también son de inercia.

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- De Roce: Estas se ponen de manifiesto en la superficie de separación de dos cuerpos y dependen de la superficie de cada uno de ellos y de la fuerza que se este aplicando a dichas superficies. Estas fuerzas tienen un comportamiento muy particular.

Sea un cuerpo sujeto a una cuerda y sobre una plataforma, como muestra la figura. Comenzamos a agregar pesas sobre el soporte que esta unido al cuerpo mediante una cuerda que pasa por una polea.

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Puede ocurrir lo siguiente, que con el agregado de los primeros kilos no logremos mover el cuerpo, sigamos agregando y para un determinado valor supongamos a modo de ejemplo 5kg, se comienza a mover. Luego para mantenerlo en movimiento son necesarios menos de 5kg podrán ser tres o cuatro según el caso pero siempre es menor la fuerza que debo hacer para mantenerlo en movimiento. Este lo explicamos con la existencia de un coeficiente de roce estático y uno dinámico. El estático está mientras no exista desplazamiento entre las superficies. Cuando comienza a deslizar una sobre otra, cambia al dinámico que es menor, razón por la cual disminuye el valor de la fuerza que necesitamos hacer, para mantenerlo en movimiento. ¿Qué pasaría ahora si por ejemplo la aumentamos agregándole peso? El valor de la fuerza que debo hacer para comenzar a mover el cuerpo aumentaría, pero al comenzar el movimiento ocurriría lo mismo que en el caso anterior. Por lo tanto las fuerzas llamadas de roce dependen del coeficiente de roce entre las dos superficies y del peso que hay sobre el cuerpo. - Fuerzas elásticas Estas fuerzas son las más frecuentes en los vehículos y de las que nos ocuparemos en detalle. Para darles una característica particular podemos decir que estos tipos de fuerzas tienen capacidad de memoria.

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¿Cómo se entiende esto? Si colocamos un resorte sobre una balanza la única fuerza que actúa es el peso propio del resorte, que la balanza se encargara de marcar. Las dimensiones del resorte fundamentalmente su largo no cambian. Si ahora colocamos un peso sobre él resorte, la balanza marcará el peso del resorte más el que agregamos. Para esto el resorte se habrá comprimido proporcionalmente al peso que le agregamos. Si ahora le quitamos dicho peso el resorte retomara a su longitud original, y la balanza a su medida. Si le agregamos nuevamente el peso el resorte se comprimirá en la misma proporción que lo hizo anteriormente. Esto que ya parece un juego de palabras es muy importante para nuestros estudios posteriores y la conclusión es que para que el resorte se comprima debe haber una fuerza aplicada sobre él. Si ésta aumenta, la deformación aumenta y si disminuye la deformación también lo hace. Si reemplazamos el resorte por una goma, la deformación con la carga no es proporcional. Al comenzar a aplicar la carga la deformación es importante, luego es cada vez menor para iguales aumentos de carga.

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ANGULOS DE LAS RUEDAS Las ruedas de los automóviles no están completamente verticales, ni paralelas al eje longitudinal del vehículo, tampoco las ruedas de la dirección giran alrededor de un eje vertical, sino que lo hacen en torno a un eje inclinado. Los ángulos que las ruedas y los ejes de pivote (eje del portamaza o perno punta de eje) forman con los planos horizontales y verticales sirven para mejorar las condiciones de conducción, la estabilidad, la auto-alineación de la dirección, así como también, evitar el arrastre y el excesivo desgaste de los neumáticos.

Comba (Camber): Es el más importante con relación a la adherencia del neumático. Es el ángulo que forma el plano de la rueda con respecto al plano del camino.

Por convención se llama “comba negativa” cuando las ruedas se abren en su parte inferior y “Comba positiva” cuando se cierran. Este ángulo se mide en grados sexagesimales. Durante el movimiento de la suspensión el ángulo de comba varía adaptando distintos valores positivos o negativos. Además, las ruedas de un vehículo pueden tener comba inicial positiva o negativa cuando este se encuentra en reposo, lo cual se halla relacionado con el tipo de suspensión que posea y con el uso a que esté destinado. Tratándose de neumáticos de banda de rodamiento ancha ya dijimos que se procura mantener la comba igual a cero (nula), es decir la rueda perpendicular al camino para un mejor apoyo de la banda de rodamiento.

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En cambio en los automóviles con neumáticos angostos de banda redonda, las necesidades son diferentes trabajándose con comba negativa en todo momento. Esto se debe a la deformación lateral que sufre la banda de rodamiento por efecto de la fuerza centrífuga que provoca el vehículo al tomar las curvas. Mediante la comba negativa se puede contrarrestar esta deformación y lograr que se comporte como lo haría una rueda, con ángulo de comba igual a cero y neumático indeformable. Esto explica porque para aumentar la capacidad de curva de un automóvil equipado con ruedas angostas, se le dé inicialmente comba negativa. En vehículos de competición con neumáticos anchos y de base plana los valores usuales varían de 0º y 3º negativa para el auto en reposo, mientras que en los que tienen neumáticos angostos se llega hasta 5º también negativos. Convergencia (Toe-in / Toe-out): Es el ángulo que forma el plano de la rueda con el eje longitudinal del vehículo visto d arriba.

En ángulo de convergencia se mide en grados sexagesimales o más comúnmente como la diferencia de distancias entre los extremos delanteros y traseros de los neumáticos.

Una convergencia de 1/8 significa que la distancia entre los neumáticos medida en su borde delantero es 1/8 de pulgada menor que la distancia medida en el borde trasero. Generalmente la medida de la convergencia se da en fracciones de pulgada por una costumbre arraigada de nuestro país originariamente por el apogeo de los automóviles americanos y sobre todo porque la mayoría de las máquinas de alineación eran de la misma procedencia.

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En los automóviles de competición se acostumbra a dar convergencia tanto a las ruedas delanteras como a las traseras. El valor usual está comprendido entre 0” y 1/8”. En el ambiente automovilístico se estila hablar de “abertura” en milímetros, dado que en la mayoría de los casos en el circuito la alineación se efectúa con hilos. Los valores característicos están entre 0 y 3,5 mm. Donde cerrado significa convergencia y abierto divergencia. La inevitable existencia de pequeños juegos y elasticidad en la suspensión ocasiona, que las ruedas (divergencia) durante la marcha y frenaje, si dicho efecto no fuera compensado por la convergencia inicial. Es decir que durante la marcha y el frenaje la combinación de los juegos y el ángulo inicial de convergencia da por resultado que las ruedas se mantengan paralelas a la dirección del vehículo. Esto ocurre en vehículos con tracción en el eje posterior.

En los vehículos con tracción delantera este razonamiento se invierte y para evitar que al acelerar, las ruedas se cierren (convergencia); se les da divergencia inicial o estática. En los vehículos de calle que poseen comba positiva, se utiliza la convergencia, para neutralizar el efecto de divergencia que se origina al comportarse la rueda como un cono giratorio en lugar de un cilindro. Este efecto se observa en la figura.

Ángulo de Caída / inclinación del Perno (King pin Axis): Es el ángulo que forma el eje o el perno, donde gira la dirección con el plano de la rueda. Este tiene por objeto disminuir la distancia entre el punto de contacto del neumático con el suelo y aquel en que la prolongación del eje de giro corte el pavimento. Cuanto mayor sea esta distancia más dura resulta la dirección del vehículo debido al efecto de palanca que se origina.

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Por otra parte cualquier esfuerzo longitudinal que se ejerza sobre la rueda produce una cupla torsora sobre el mecanismo de dirección, que se transmite al volante. Tal es el caso de los golpes que producen las irregularidades del camino. El ángulo de caída disminuye ese efecto. Además en los autos de competición esa distancia amplifica los esfuerzos a que se ven sometidas las parrillas de suspensión por lo cual en estos casos se trate de disminuirla acercando el pivote sobre en centro de la rueda pero por razones constructivas este acercamiento resulta siempre limitado por lo cual se recurre al ángulo de caída. Este ángulo varía entre 5 y 12 grados, y se trata siempre de mantener la distancia entre punto de contacto y prolongación del pivote no mayor de 30 a 40 mm. En los automóviles de competición es conveniente que el radio tenga un valor positivo. Esto da sensibilidad al piloto transmitiéndole, a través del esfuerzo en el volante, información del estado del camino.

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En algunos vehículos modernos esta distancia llega hacerse cero y en los casos este punto pasa la línea media de la rueda para ubicarse en el otro lado, dando lo que se llama radio de rodaje negativo (esto se hace posible en las suspensiones tipo Mac Pherson).

Avance (Caster): Es el ángulo que forma el pivote de la rueda con la vertical en una vista lateral. Tiene por objeto lograr que la prolongación del mismo corte al pavimento por delante del punto de contacto del neumático. Con este se consigue un efecto auto estabilizante de la dirección cuando el vehículo marcha en línea recta. Esto se explica imaginando una pequeña desviación del neumático por efecto de una irregularidad del camino que lo aparte de su dirección paralela a la marcha, como la fuerza de roce tienen sentido contrario el de avance del vehículo y está aplicada en el punto de contacto de la rueda con el pavimento, se origina un efecto que tiende a alinearla nuevamente.

Cuando se produce el frenado en línea recta, el efecto es el mismo, pero muy incrementado ya que la fuerza en éste caso es mucho mayor. En los vehículos de competición cuando este frenado produce desviaciones de la dirección, el inconveniente suele disminuir aumentando el valor del ángulo avance. Otro efecto de este ángulo es el de facilitar la vuelta a la alineación después de cada viraje ya que el girar las ruedas se produce un levantamiento del tren delantero debido a la posición del pivote de la dirección. Este levantamiento es el que luego favorece la auto-alineación. El valor del ángulo de avance varía según los constructores entre 3º y 10º. Hay que tener en cuenta, cuanto mayor es este ángulo, más dura resulta la dirección.

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Distancia entre ejes (Wheel Base):

Es una de las dimensiones más conocidas y que define gran parte de la conducta del auto, fundamentalmente influye en la estabilidad direccional y en el confort, el que mejora al aumentar esta distancia. En general los autos más largos son más fáciles de poner a punto, en contra de lo que se pudiera suponer en un primer momento. Esto tiene como contrapartida que es más difícil lograr los valores de rigidez estructural necesarios con bajo peso.

Trocha (Track):

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Es la distancia entre los centros de las ruedas, por lo que muchas veces es práctico medir desde el lado interno de una rueda al lado externo de la otra. La trocha tiene mucha influencia sobre la transferencia de pesos, tema que nos ocuparemos en detalle más adelante. Pero en un primer análisis intuitivo podemos decir que cuanto mayor es la trocha, menos posibilidades tiene de volcar.

DISTRIBUCIÓN ESTATICA DEL PESO Ubicación del centro de gravedad: Para algunas explicaciones existen dibujos que dicen más que las explicaciones, con ustedes los dibujos.

El peso de cada rueda, dependerá de la posición longitudinal y transversal que tenga el centro de gravedad. La posición longitudinal del centro de gravedad se determina fácilmente usando cuatro balanzas, que nos permitan medir el peso por rueda. Lo que muchas veces no es fácil conseguir son cuatro balanzas.

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Para aquellos que se estén iniciando en la actividad pueden, obtener el peso total del vehículo en una balanza pública y luego con el dispositivo utilizado para controlar el peso de las ruedas sacar los porcentajes correspondientes, (independientemente de las unidades que marque dicho dispositivo). También lo podemos resolver con dos balanzas y dos soportes que deberán tener la misma altura que las balanzas las que no deberían tener diferencias de altura y de ser así debemos resolverlo con suplementos. Todas estas precauciones son necesarias, lo mismo que el piso, como es obvio debe estar nivelado. Ejemplo del cálculo de la distribución del peso:

Sería importante tener en cuenta que cuando hagamos cualquier trabajo cometeremos un error.

Es más, no se puede medir sin cometer error, esto es importante para quienes se inicien en el arte de medir. El sentido común no irá diciendo en cuanto nos podemos equivocar.

Calculemos cuál es el porcentaje del peso que tienen las ruedas traseras: 597,15 kg x 100 = 43,8 % 1363,35 kg Este es el porcentaje del peso que tienen las ruedas traseras, por lo tanto las delanteras tendrán con un razonamiento similar el 56,2 %.

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El centro de gravedad C.G. estará más cerca del eje más pesado en una proporción inversa a la de los pesos. Esto quiere decir que la distancia B será el 43,8 % de la distancia D (largo entre ejes) La posición transversal del centro de gravedad, estará en general en la mitad de la trocha, si los pesos por rueda están equilibrados. Este equilibrado es una tarea que se realiza rutinariamente en los autos de competición, para lograr que las ruedas de un mismo eje tengan el mismo peso y de esta manera evitar que una bloquee o patine antes que la otra. La posición longitudinal del C.G. no se puede ajustar tan fácilmente como la transversal, sin introducir modificaciones constructivas en el vehículo.

Determinación experimental de la altura del C.G. La altura del C.G. no afecta la distribución estática del peso longitudinal y transversal. Siendo si, de suma importancia a la hora de evaluar la transferencia de pesos que se produce al frenar, acelerar y transitar por una curva.

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El ángulo que debemos elevar el vehículo es de no menos de treinta grados. Esta medición debemos hacerla por lo menos tres veces y luego sacar un promedio. La determinación de la altura del C.G. demanda mucho trabajo y paciencia.

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