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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

SUSPENSIÓN Y CHASIS DE COMPETICIÓN

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MOTORES

“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

SUSPENSIÓN Y CHASIS DE COMPETICIÓN

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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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Marzo 2008

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DINAMICA: TRANSFERENCIA DE PESOS Veremos ahora como se comporta la suspensión bajo la acción de fuerzas y de que manera influye en la estabilidad del vehículo. Las fuerzas dinámicas o de inercia, son las fuerzas antes mencionadas que se originan cuando hay variaciones de la velocidad (aceleración), ya sea porque ésta aumenta o disminuye como en las aceleraciones y frenajes o cuando cambia de dirección como en las curvas.

Según se acelere o frene el sentido de estas fuerzas es respectivamente hacia atrás a adelante hay que tener bien claro que estas fuerzas (F y A) son la reacción a las que originan dicho cambio. Esta fuerza F es la que nos interesa pues actúa sobre el vehículo produciendo el clásico movimiento de cabeceo y la distribución longitudinal de pesos. Otro tanto ocurre con la fuerza de aceleración A.

El otro caso de fuerza dinámica lo tenemos cuando cambia la dirección del vehículo al tomar o recorrer una trayectoria curva.

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Las fuerzas r son las que producen dicho cambio, obligándolo a seguir la curva. Como reacción se origina la fuerza centrífuga R que hace rolar el vehículo y hace que varíe la distribución lateral de pesos.

TRANSFERENCIA LONGITUDINAL DE PESOS Para simplificar el problema supondremos por un momento que los resortes son rígidos y que no se produce ningún movimiento de la carrocería bajo la acción de las fuerzas dinámicas. Cuando el vehículo está detenido o si marcha en línea recta a velocidad constante, el peso se reparte proporcionalmente entre las ruedas delanteras y traseras, según la posición del centro de gravedad. Suponiendo una distribución de pesos del 50% adelante y 50% atrás (a = b) cada rueda soportará la cuarta parte del peso total según la posición del centro de gravedad. Para otras posiciones del centro de gravedad la distribución se calcula por fórmulas sencillas:

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Veamos ahora de que manera se modifican estas cargas en el caso de que actúe una fuerza dinámica de aceleración o frenaje. Por ejemplo cuando aparece la fuerza de frenaje F, producirá un incremento de la carga sobre el tren delantero y una disminución sobre el trasero. La magnitud de estas variaciones se puede calcular tomando momentos respecto a los apoyos de los neumáticos. En la figura siguiente se puede ver un esquema equivalente que puede reemplazar al vehículo y que simplifica la interpretación del fenómeno.

La fuerza F producirá sobre el tren delantero una reacción dada por:

F1 = F . h / e Y sobre el trasero:

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F 2 = F . h / e (salen de : F1 . e = F . h y F2 . e = F . h) La interpretación de esta fórmula, o el sentido común nos dice que el peso de las ruedas delanteras se incrementa en la misma proporción que disminuye el de las traseras. ES DECIR QUE LA FUERZA DE FRENAJE REDISTRIBUYE LA CARGA ACTUANTE SOBRE LAS RUEDAS, SIN ALTERAR LA CARGA TOTAL.

Esto resulta obvio si pensamos que la fuerza F por ser horizontal no tiene componentes verticales que pueden modificar dicha carga. Se dice entonces que durante el frenaje se produce una “transferencia de pesos” desde el eje trasero al delantero. Se deduce que dicha transferencia será mayor cuanto más alto se encuentre el centro de gravedad (es decir cuanto mayor sea h) o cuanto más corta sea la distancia entre ejes e. Como en la práctica la adherencia de los neumáticos no se incrementa ilimitadamente con la carga vertical actuante, sino que posea un límite que no conviene superar, se trata siempre de tener una repartición de peso lo más pareja posible sobre los cuatro neumáticos, para aprovechar al máximo la capacidad de frenar de los mismos. Es por ello que conviene minimizar la transferencia de pesos durante el frenaje. Por otra parte dicha transferencia incrementa excesivamente el trabajo de los frenos delanteros y desaprovecha el de los traseros, ya que en estos se debe disminuir su efecto para evitar el bloqueo de las ruedas. En el caso de la aceleración se produce el mismo fenómeno, alivianándose el tren delantero y sobrecargándose el trasero. Si el vehículo tiene tracción en las cuatro ruedas, por las mismas razones vistas en el frenaje tampoco convendrá que esta transferencia sea grande, ya que una distribución pareja de las cargas sobre, los cuatro neumáticos permitirá aprovechar mejor su adherencia y lograr una mayor capacidad tractora. En el caso de un vehículo con tracción trasera, la transferencia de pesos durante la aceleración aumentará la capacidad de los neumáticos disminuyendo la posibilidad de patinaje de los mismos. Un ejemplo extremo se tiene en los vehículos destinados a pruebas de aceleración exclusivamente.

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Tal es el caso de los Hot Rod norteamericanos, en ellos la relación peso potencia es muy diferente a los vehículos comunes y los neumáticos resultan insuficientes para transmitir tanta potencia. Se recurre al uso de grandes y anchos neumáticos en las ruedas traseras y se trata de concentrar la mayor cantidad de pesos en esa parte, lo cual junto con la transferencia durante la aceleración aumenta considerablemente la fuerza vertical sobre las ruedas tractoras y consecuentemente su capacidad. En cambio las ruedas delanteras por los mismos motivos prácticamente no soportan ningún peso, y pueden ser de construcción muy liviana (ruedas de motocicletas). En los vehículos con tracción delantera la transferencia de pesos al eje trasero perjudica la capacidad de aceleración de los mismos. Todas estas consideraciones sobre aumento, o disminución de la capacidad tractora valen cuando la potencia a transmitir puede exceder el valor que produce patinamiento.

En caso contrario no tiene prácticamente importancia. Si se comparan dos vehículos de iguales dimensiones, con el mismo peso y distribución, uno con tracción delantera y el otro con tracción trasera, para averiguar cual es la máxima potencia que pueden tener sus respectivos motores (o máxima cupla) sin que produzca el patinamiento de las ruedas tractoras, se encontrará que es mayor en el caso de tracción trasera. En los vehículos de competición de bajo peso y elevada potencia la capacidad tractora se convierte en un factor muy importante. Dos fórmula 1 equipados con el mismo motor (igual potencia y cupla) pueden mostrar rendimientos muy diferentes durante los períodos de aceleración. Tal es el caso del recorrido y salida de las curvas, donde el vehículo con mayor capacidad tractora ganará algunas fracciones de segundo. En este ejemplo, a igualdad de neumáticos, la capacidad tractora estará determinada por la transferencia de pesos y por el peso actuante sobre las ruedas traseras aunque en las trayectorias curvas se superpondrá esto con otros fenómenos que ya analizaremos. La necesidad de aumentar la fuerza vertical sobre los neumáticos tractores a llevado a los constructores a la utilización de diferentes recursos, alerones, spoilers, etc. Un ejemplo particular se tiene en los ensayos realizados con vehículos con tracción en las cuatro ruedas. Estos lograban mejores tiempos en virtud de su mayor capacidad de aceleración, lo cual se hacía más notable con piso resbaladizo (mojado). Sin embargo la mayor complejidad mecánica y la difícil adaptación de los pilotos impidieron el éxito de los ensayos.

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Esta solución, por el contrario a sido adaptada en forma definitiva en los vehículos de Rally donde dadas las características del terreno, hace imprescindible la tracción en las cuatro ruedas, donde para mejorar, el comportamiento del auto se regula la potencia que se entrega en cada eje.

TRANSFERENCIA LATERAL Cuando actúa la fuerza centrífuga R se produce el mismo efecto que en el caso anterior, incrementándose la carga vertical sobre las ruedas externas y disminuyendo la carga que actúa sobre las internas. Si la fuerza centrífuga es muy grande puede llegarse a la descarga total de las ruedas interiores y en ese caso se iniciará el vuelco del vehículo.

Si analizamos la figura podemos sacar como conclusión que: a mayor fuerza centrífuga, o más alto esta el C.G. mayor es la transferencia, la que disminuye con el aumento de la trocha. Al igual que en el caso anterior se puede calcular el valor de la transferencia lateral tomando momentos respecto el punto de apoyo de los neumáticos, de esa manera se llega a: Transferencia lateral: ΔP = R . h / t Estos son los kilogramos de peso que dejan de actuar sobre las ruedas interiores para hacerlo sobre las exteriores. La disminución de las transferencia de pesos con la carga explica porque se construyen tan anchos los vehículos de competición. El producto R . h recibe el nombre de momento de vuelco, ya que cuando supera un cierto valor produce el vuelco del vehículo. Se puede calcular el valor de la fuerza centrífuga que ocasionará el vuelco de un determinado vehículo. La fuerza centrífuga actúa con un brazo de palanca h mientras que el peso lo hace con la mitad de la trocha. Fuerza centrífuga R = P . t / 2 . h

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La fuerza centrífuga será tanto mayor cuanto más elevada sea la velocidad con que se recorre una curva y cuanto más cerrada sea la misma. Cuando R llegue el valor P.t/2h el vehículo volcará. El peligro de vuelco era importante en los vehículos antiguos que tenían muy alta el centro de gravedad, pero ha disminuido notablemente en los actuales, por el descenso del mismo, siendo prácticamente imposible que se produzca por excesiva velocidad debido a que se supera la capacidad de adherencia lateral de los neumáticos se ve incrementada por circunstancias externas, tal es el caso del trabado de las ruedas contra un cordón, pozo, etc., donde si se puede producir un vuelco.

Volviendo a las transferencias de peso podemos resumir diciendo: 1. Cuando el vehículo acelera, frena o recorre una curva, se originan fuerzas dinámicas que actúan en el centro de gravedad del mismo 2. Dichas fuerzas producen una REDISTRIBUCION del peso actuante sobre las cuatro ruedas, llamada TRANSFERENCIA DE PESOS. 3. Cuanto más bajo esté el centro de gravedad, menor será la transferencia (se anularía si se pudiera ubicar a la altura del piso). 4. El valor de la trocha y la distancia entre ejes influye en la transferencia de pesos. 5. Conviene disminuir al máximo la transferencia de peso durante el frenaje y rolido.

Como ejemplo de todas las consideraciones que hemos realizado, sugerimos comparar la distribución de pesos y el efecto que sobre la misma tiene la transferencia que se origina por frenaje, aceleración o recorrido de una curva, en dos vehículos diferentes: un auto de competición y un sedán familiar. Para permitir una mejor comparación supongan que ambos tienen el mismo peso de 1.999 kg y la misma distancia entre ejes, 2,50 m. Supongan además que los dos tienen el motor ubicado en la parte delantera, siendo la trasera.

Haciendo las cuentas llegamos a una distribución de pesos de:

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Sedán: 52%, 48% adelante y atrás respectivamente Auto de competición: 60 y 40 % Para una fuerza de frenaje de 800 kg la transferencia de pesos hacia las ruedas traseras será: Sedán: 160 kg comp.: 96 kg Para una aceleración de 800 kg, esto significa para utilizar la terminología actual que aceleraría con 0,8 g. O también se puede lee como una fuerza igual al 80% del peso del auto. Se repartirán los valores calculados para el frenaje. Supongamos ahora que se está transitando una curva con una aceleración de 0,6 g, esto dará una fuerza de 600 kg aplicada en el C.G. de los autos dando una transferencia de pesos de 112 kg para el A.C. y de 230 kg para el sedán. Con las gomas que actualmente se utilizan en competición se llega a valores de aceleración de hasta 1,5 g lo que para nuestros vehículos daría una fuerza de 1500 kg, dando una importante velocidad en curva y también es importante el esfuerzo que aparece en los elementos mecánicos del automóvil. Los autos de F1 logran aceleraciones de 4,5 g laterales. Esto significa que si el brazo de un piloto pesa 5 kg y lo quiere mover en contra de la fuerza centrífuga deberá hacer una fuerza de 5x4,5 = 22,5 kg. O para decirlo de otra manera como si se pusiera un reloj que pesa 17,5 kg. Hasta ahora hemos supuesto que el vehículo carecía de suspensión elástica teniendo sus ruedas unidas rígidamente a la carrocería. En el caso real, el conjunto carrocería bastidor está suspendido sobre las ruedas mediante elementos elásticos y varillajes guiadores, lo cual le permite realizar cualquiera de lo siguientes movimientos ya vistos de planeo, cabeceo y rolido, además de la oscilación de las ruedas por irregularidades del camino.

La magnitud de los movimientos originados por las fuerzas dinámicas esta determinada por los siguientes factores: 1. La intensidad de la fuerza – dinámica 2. La dureza de los elementos elásticos correspondientes 3. Las características geométricas de la suspensión (largo de las parrillas, centros de rolido, etc)

Cuanto mayor sea la fuerza dinámica, tanto mayor será el movimiento de la carrocería. Analicemos ahora que pasa con el movimiento del vehículo y la transferencia de pesos, estos dos fenómenos a la vez.

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Como dijimos anteriormente la transferencia de pesos solo depende de la trocha y la altura del centro de gravedad, para un determinado valor de fuerza centrífuga (nos referimos a la transferencia de pesos total).

En este esquema no interviene el centro de rolido, ya que la transferencia de pesos total solo depende de los factores antes mencionados. Yo supongo que alguno de los lectores se puede estar cuestionando esto. O puede estar razonando – Si rola más o menos pareciera que transfiere más o menos carga.Trataremos de aclarar. Al esquema anterior le agregamos el centro de rolido y definimos las siguientes distancias.

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¿DE QUE DEPENDE QUE UN AUTO ROLE?: dejaremos hablar a los dibujos.

Todos los vehículos analizados tienen la misma trocha y la misma altura del centro de gravedad y están sometidos a la misma fuerza centrífuga R, razón por la cual están transfiriendo el mismo peso de las ruedas internas a las externas.

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La conclusión es que al ángulo de rolido que tome el auto depende de la distancia que hay desde el centro de rolido C.R. al C.G.. Si estos coinciden como es el caso del auto C el auto transfiere pesos, sin rolar y llamamos a esta transferencia de pesos directa. Si analizamos el ejemplo D no habrá transferencia en forma directa y será toda transferencia de pesos por rolido. En los otros casos analizados existen las dos directa y por rolido. De la misma manera que h es igual a la suma de n más p, podemos decir que la Transferencia de pesos Total será igual a la transferencia por rolido más la directa. Transferencia de peso total: ΔP = R . n/t + R . p/t Es importante destacar que siempre existe transferencia de pesos, salvo para el caso ya analizado en que la altura del C.G. sea igual a cero, cosa que solo es posible lograr en nuestras mentes. Dejamos para el alumno la pregunta ¿Qué pasará si el C.R. está por encima del C.G.? Como ayuda podemos hacer otra pegunta ¿para qué lado rola la lancha cuando dobla?

PORQUE DEBEMOS REDUCIR LA TRANSFERENCIA DE PESOS Si analizamos las curvas características de los neumáticos mostradas en la figura de fuerza lateral en función de la carga vertical, la fuerza lateral crece primero junto con la carga vertical. Luego para aumentos muy grandes de la carga vertical la fuerza lateral crece muy poco. Distintos neumáticos darán curvas diferentes a las mostradas, pero todos tiene el mismo comportamiento general.

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Supongamos que estas son la curvas características de nuestros neumáticos y queremos saber cuanta fuerza lateral pueden generar en diferentes situaciones. La distribución estática de peso es de 200 kg por rueda. Si bajo estas condiciones suponemos que los neumático pueden generar fuerza lateral (cosa que solo sería posible si h=0).

Deberíamos entrar a la curva por P = 200 kg, y nos da 150 kg de fuerza lateral por rueda. En suma daría Fuerza lateral total 300 kg Si ahora consideramos una transferencia de pesos de 50 kg La rueda externa tendría una carga de 250 kg ---------------- (curva) ---------------= 160 kg La rueda interna tendría una carga de 150 kg ----------------- (curva) ---------------= 120 kg Fuerza lateral total 280 kg En la medida que las transferencias de pesos aumenta la fuerza total resultante es cada vez menor, perjudicando de esta manera el funcionamiento de nuestro auto. Todo el análisis efectuado hasta el momento tiene por objeto poder dar explicación al siguiente hecho: PORQUE CAMBIA EL COMPORTAMIENTO DEL AUTO, CUANDO CAMBIAMOS LOS RESORTES DE SUSPENSIÓN (más duros o más blandos, es decir de distinta Kp). Para ver este tema debemos recordar las fuerzas de origen elástico. Al comprimirse un resorte, este nos devuelve una fuerza que es proporcional a la carga. Esto dicho de otra manera significa que cuando no hay deformaciones, sobre el resorte solo actúa el peso propio. Si se deforma hay carga, si la deformación aumenta, también lo hace la carga y si la deformación disminuye la carga también.

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Siguiendo con el ejemplo anterior, y agregando ahora el eje trasero donde cada rueda pesa 300 kg. Esto nos dará una distribución estática de pesos del 40% adelante y el 60% atrás. Lo apoyamos sobre cuatro balanzas y lo ponemos a transitar una curva. Esta situación irreal nos ayudará a analizar el fenómeno. Considerando una transferencia de pesos total de 100 kg y que cada rueda recibe 50 kg, la balanza delantera externa a la curva marcará 250 kg y la trasera externa 350 kg.

Para lograr esta transferencia de pesos, tanto el eje delantero como el trasero rolaron 5º, (el bastidor no tiene problemas de rigidez a la torsión), al rolar los resortes delanteros se comprimieron proporcionalmente a la carga que recibieron 50 kg. Los traseros también se comprimieron de acuerdo a la carga recibida, supongamos que fue de 1 cm, por el aumento de la carga de 50 kg.

Si quitamos los resortes delanteros y ponemos otro de constante mayor (más duros) y lo ponemos a transitar la misma curva, a la misma velocidad tendrá la misma transferencia de pesos total = 100 kg. –¿Cuáles son las consecuencias? 1) El auto rolará un ángulo menor, por ejemplo 3º 2) El resorte de la rueda trasera externa que antes se comprimía 1 cm ahora se comprime menos razón por la cual la carga sobre esa rueda tiene que haber disminuido. La balanza ya no marcará 350 kg , marcará menos. Siguiendo con los por ejemplo digamos que ahora marca 330 kg. ¿Dónde fueron los 20 kg? La transferencia de pesos total no cambió, sigue siendo de 100 kg porque la trocha, la altura del C.G. y la fuerza centrífuga siguen siendo iguales.

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Los 20 kg pasaron al eje delantero, dando como resultado una transferencia de pesos de las ruedas trasera externa a la delantera externa, llamada longitudinal.

El resumen de todo lo analizado es que la Transferencia de pesos Total de las ruedas internas a las externas no se modifica por el cambio de los resortes. Lo que podemos modificar es cuanto de esa carga recibe cada rueda externa. Si por caso quitáramos un resorte delantero y colocáramos una tubo en su lugar (equivaldría a un resorte de rigidez infinita) toda la transferencia de pesos la recibiría la rueda delantera externa, la balanza pasaría a marcar 200 kg de carga estática más 100 kg del total de los pesos transferidos. Esto daría como resultado también una infinita ida de trompa.

Marzo 2002____________________ _____