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• Rodrigo Barceló

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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MOTORES

Puesta a Punto de Suspensión 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

SUSPENSION Y CHASIS PARA COMPETICION

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

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Marzo 2008

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MOTORES

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

ELEMENTOS ELASTICOS

CONSTANTE PARTICULAR DEL RESORTE Trataremos de ver que diferencia hay entre la constante particular del resorte “Kp” y la de instalación o constante en la rueda “Kr”. Debemos primero analizar cuál es el comportamiento de un resorte helicoidal. En el ejemplo de la fig. 1 tiene un resorte construido con una barra de acero de diámetro “d” que tiene cinco espiras de diámetro “D” y separadas a igual distancia. Si colocamos 20 kg sobre el resorte este se comprime un centímetro, sí le agregamos 20 kg más se comprimirá otro centímetro. Este será el comportamiento que tendrá el resorte, mientras las espiras no se toquen (incluido aquellos construidos de otro material) La relación que existe entre la carga y la deformación se mantendrá constante, relación que designaremos con la letra “Kp” y llamaremos constante particular del resorte. Existen resortes donde la relación entre la carga y la deformación no se mantiene constante, dando resortes llamados progresivos o de dureza variable. Esta progresividad se logra haciéndolos de forma exterior cónica o con distancia entre espiras variable, nosotros nos ocuparemos solamente de los primeros que son más usuales.

Hay características del resorte que definirán cual será la relación o constante “Kp”, éstas son:

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“D”= diámetro de la espira “d”= diámetro del alambre “n”= número de espiras útiles “G”= características del material Analicemos el siguiente ejemplo: Si tengo una barra de longitud “I” fuertemente tomada por los extremos como muestra la figura y trato de hacerla girar.

Cuanto más larga sea la bara menor será la resistencia que me ofrecerá para girarla. Si por el contrario aumento el diámetro de la barra la dificultad aumentará. Si a esta barra le damos forma alrededor de un tubo como indica la figura 3 habremos fabricado un resorte helicoidal de cuatro esperas. Para aumentar el número de espiras debo utilizar una barra más larga, dando esto un resorte más blando, o de una Kp menor. Si aumentó el diámetro “D” del tubo para tener el mismo número de espiras debo utilizar más longitud de barra, lo que también nos dará una disminución de la constante. Si aumenta el diámetro “d” del alambre el resorte endurece (aumenta la constante particular del resorte)

La fórmula que tiene en cuenta estas variables es:

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d = diámetro del alambre en milímetros n = número de espiras útiles Dm3 = diámetro medio de la espira en mm G = módulo de elasticidad transversal entre 80.000 y 90.000 kg/mm2

La fórmula que tiene en cuenta estas variables es:

d = diámetro del alambre en milímetros n = número de espiras útiles Dm3 = diámetro medio de la espira en mm G = módulo de elasticidad transversal entre 80.000 y 90.000 kg/mm2

CONSTANTE DE INSTALACIÓN O CONSTANTE EN LA RUEDA

Hasta ahora hemos visto cuál es el comportamiento del resorte analizado individualmente, trataremos de ver como se comporta instalada en una suspensión, donde estará afectado por un sistema de palancas. Para poder comparar el auto con el ejemplo de la figura 1 deberíamos instalar un resorte de 20 kg/cm darlo vueltas, de manera tal que quede con las ruedas hacia arriba. En esta posición, le colocamos un peso sobre la rueda y vemos cuanto baja. El peso que coloquemos dividido por lo que baje la rueda nos dará lo que llamamos “constante en la rueda o de instalación”.

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En el caso que la relación de palancas fuese uno a uno, las dos constantes coincidirían, como en el caso mostrado en la figura 5. Al diseñar el auto y tener que dar lugar a todos los elementos de los suspensión, esta relación es muy difícil de lograr. Analizando un caso real como puede ser el mostrado en la figura 4, al aplicarle los 20 kg, si la rueda se moviera 2 cm la constante de la rueda sería de 10 kg/cm. Esta constante no coincide con la particular del resorte que sigue siendo de 20 kg/cm.

Este esquema de suspensión donde el resorte se comprime lo mismo que sube la rueda

Hasta ahora hemos analizado dos casos, donde el mismo resorte no tiene el mismo comportamiento para la rueda. Si analizamos un sistema como el de la figura 6 podremos sacar algunas conclusiones.

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¿Qué significa el resorte en esta nueva instalación?

Este esquema de suspensión lo podemos simplificar y utilizar el sistema equivalente mostrado en la figura 7.

Aplicamos una fuerza en el extremo donde está la rueda (punto a) y vemos cuanto sube. Viendo las medidas podemos decir que la relación de palancas es de 2 a 1) el brazo donde está conectada la rueda). Ahora para hacer una fuerza de 20 kg en el resorte debo aplicar una de 10 kg en la rueda. Las distancia recorridas por cada uno están en la figura.

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Haciendo los cálculos constante del resorte Kp = 20 kg = 20 kg / cm 1 cm constante en la rueda Kr = 10 kg = 5 kg / cm 2 cm Con esta instalación el resorte resulta para la rueda de un valor distinto a todos los ya analizados. Si por el contrario el brazo del resorte (ob) fuese más largo que el de la rueda, tendríamos en la rueda una constante mayor que la del resorte. Creo que estamos en condiciones de establecer cual es la diferencia entre ambas. La del resorte o particular depende de sus características constructivas: diámetro de alambre de espira, número de vueltas y material. La de a rueda, de la particular del resorte y de cómo esté instalado (relación de palancas y de recorrido). Trataremos de explicar, al fin, para que nos sirve todo esto. Los valores de constante en la rueda de un auto de carrera, están encerrados en una franja bastante estrecha, tomemos como ejemplo un Turismo de Carretera. En el eje delantero para autódromos irá desde 90 kg/cm a como máximo 130 kg/cm, estos valores se logran con una franja inmensa de resortes, ya que depende de cómo estén instalados. Cabe destacar que las instalaciones cambian mucho de un auto a otro a pesar de ser de la misma marca.

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Cuando se está analizando un auto ya construido podemos medir el recorrido de la rueda y el recorrido del amortiguador, para de esta manera calcular el factor que nos permita saber como hacemos para a partir de la constante de un resorte para saber cuanto tiene en la rueda. O en caso contrario cual es el resorte que debo poner para tener un determinado valor de constante en la rueda.

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Para determinar esto debo calcular el factor F= recorrido de la rueda / recorrido del amortiguador. Hagamos un ejemplo: Necesito saber que constante debe tener el resorte que tengo que colocar en un auto para tener una constante en la rueda de 100 kg/cm. Haciendo las mediciones sobre el auto, obtengo los siguientes valores: Recorrido de la rueda = 4 cm Recorrido del amortiguador = 2 cm El Factor

F = 4 cm 2 cm F=2

Kr (const. de la rueda) = Kp (const. particular del resorte) FxF

Como quiero calcular Kp esta fórmula quedará: Kp = Kr . F . F Kp = 100 kg / cm . 2 . 2 Kp = 400 kg / cm Debo colocar un resorte de 400 kg/cm para tener en la rueda una constante de 100 kg/cm

0-1 ”

WHEEL TRAVEL

1-2 ”

2-3 ”

Spring Travel

60 ”

65 ”

70 ”

Motion Raatio

1.67:1

1.54:1

1.43:1

(Motion Ratio) “

2.79

2.37

2.04

Wheeel Rate for 412 LB/IN Spring

148 LB/IN

174 LB/IN

202 LB/IN

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Conviene analizar como varía este factor para todo el recorrido de la rueda, tal como muestra la figura anterior para ver si el factor cambia. De ser así me estaría indicando que el sistema es progresivo. En suspensiones como las mostradas este factor no varía demasiado. De esta manera lo que se logra es independizarse del sistema de suspensión, el que podemos considerar encerrado en una caja negra donde solo me interesa saber cuanto recorre la rueda y cuanto el amortiguador. Cabe destacar que hablamos del amortiguador en sentido genérico, suponiendo que se encuentra trabajando concéntrico con el resorte. De no ser así debemos sacar un factor para el resorte y otro para el amortiguador. En el caso de eje rígido debemos tener en cuenta cual es la contribución del resorte a detener el movimiento de rolido, y cuanto al movimiento de plano o cabeceo. En el esquema mostrado en la figura “B”, el resorte solo se opone al movimiento de “sube y baja”, no ofreciendo ninguna resistencia al movimiento de rolido. Para el caso “A” lo hace oponiéndose a ambos movimientos. En el caso de los ejes rígidos debemos evaluar por separado, lo que nos dará una constante para el “rolido” y otra para el movimiento de “sube y baja”

BARRAS ANTIROLIDO

Antes de presentar la barra como tal se debe aclarar que: Es imprescindible que el montaje de la barra, sujeta al bastidor se asegure su funcionamiento libre en todo el recorrido de la suspensión. Las barras deben estar colocadas donde funcionen bien, no donde le quede un lugar libre al que la está colocando. Las bieletas o brazos que la unen con la suspensión deben ser reguladas, para que a la altura de funcionamiento ningún extremo esté tenso. Es tanto o más importante la instalación que la barra misma. Barras que parecen duras por su diámetro son blandas para la rueda, por su instalación. Obsérvese su correcto funcionamiento desmontando el resorte de suspensión, para llevar a la carrocería a una máxima carrera de compresión y extensión.

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La longitud de estas bieletas, algo sobredimensionada, asegurará su correcto funcionamiento en este sentido. Si la barra toca con las suspensiones y se traba o no funciona correctamente por algún otro motivo genera en el auto actitudes insólitas, como sacar la trompa a partir de un lugar determinado de la curva (momento en que toca).

La figura muestra una barra tubular con tres perforaciones en los brazos, que definen otros tantos reglajes de la misma. Si conectamos la bieleta en el extremo más próximo al final del brazo, el reglaje será blando. La dureza aumenta al acortar este brazo con los agujeros que se acercan al eje de giro de la barra. Ésta es una disposición muy clásica y aceptada, que no permite la regulación desde el puesto de conducción, sino que, una vez realizado el reglaje, es inamovible. Sin embargo, hay otra disposición mecánica que es la más utilizada cuando se quiere mantener la posibilidad de reglaje con el coche en marcha. Esto es, accionando desde el puesto de conducción una palanca que comanda un cable, el cual permite, a su vez, orientar una cuchilla que cumple, además, las funciones de brazo. Debemos decir que tenemos cierto respeto a la cuchilla cuando trabaja en su posición más blanda, ya que actúa como un muelle incontrolado, sin amortiguar, y las consecuencias son imprevisibles. En gran parte de las categorías, de nuestro país no está permitido su uso. La posibilidad de reglaje en marcha tiene poco sentido en un coche cuya pérdida de peso al final de la carrera no sea significativo en relación a su peso inicial.

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Sin embargo, no puede descartarse su uso en carrera, ya que un piloto experimentado puede contra-equilibrar de nuevo el coche usando el control de dureza de las barras, después de que se manifieste un subviraje (ida de trompa) excesivo, por ejemplo, por desgaste de las ruedas delanteras. Finalmente, haremos una reflexión sobre las posibilidades y consecuencias del reglaje de la barra antibalanceo. Transfiere la carga lateralmente desde la rueda descargada hasta la cargada, sumándose a la compresión del resorte. Neutraliza la tendencia al rolido de la masa no suspendida sin añadir ninguna carga al muelle principal. Permite modificar el carácter de un coche de forma rápida y limpia. El aumento de la dureza de una barra acentúa la tendencia del tren al que está montada. Si va de trompa y endurecemos, irá más. En un turismo de tracción Delantera con un reparto típico de 60-40, si disminuimos la resistencia de la barra posterior, colaboraremos a fijar el tren, es decir, a no sobrevirar (sacar la cola). Si bien esto es cierto, también es cierto que los que manejan tracción delantera prefieren esta tendencia para poder colocar mejor el auto. Lo mismo ocurre en un coche de propulsión. Como se transfiere menos carga lateral, se traducirá en una mayor capacidad de tracción copiando mejor el terreno, con menos sobreviraje al acelerar. En una curva, la rueda exterior o de apoyo tiende a hundirse, mientras que la interior, descargada, tiende a caer. Nada de esto puede hacerse sin torsionar la barra interconectada. Ésta es su principal función. Por último, debemos decir que, en una barra sometida a torsión, el alma central, es decir, el cuerpo próximo y concéntrico a su eje, sólo contribuye a añadir peso al coche. Por tanto, lo más aconsejable es utilizar barras tubulares de acero sin soldadura y de poca dureza.

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Jamás debe taladrarse una barra de torsión para reducir peso (lo hemos visto hacer), ni soldar arandelas para evitar desplazamientos axiales en sus cojinetes; esto se puede solucionar con abrazaderas. Si las necesidades de espacio son determinantes para aumentar la torsión de una barra tubular sin alterar su diámetro exterior y aprovechando la misma barra, se puede disponer concentricamente a la barra, y en su interior, otra barra maciza, cuya acción se sume a la tubular, anclada en uno solo de los brazos y con la reacción en el otro extremo.

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