FLUIDOS MAGNETOREOLÓGICOS.
INTRODUCCION.
La suspensión de un vehículo tiene como finalidad atenuar las perturbaciones
experimentadas por el auto al desplazarse por la carretera y al mismo tiempo
mantener las ruedas en contacto con la misma. De lo anterior, los objetivos
principales que debe alcanzar la suspensión son, asegurar el confort en la
marcha y la estabilidad del vehículo. Dentro de estos dos objetivos principales,
se puede subdividirlos en los siguientes:
1. Absorber las desigualdades del terreno, aislando a la carrocería de las
irregularidades de la carretera.
2. Mantener la posición de los neumáticos y la geometría de la dirección
en perfecto estado de funcionamiento respecto a la superficie de la
carretera.
3. Reaccionar a las fuerzas de control que se transmiten desde las ruedas:
fuerzas longitudinales (aceleración y frenado), fuerzas laterales (en el
giro), y pares de dirección y frenado.
4. Resistir el balanceo de la carrocería.
Como ya se mencionó anteriormente el sistema de suspensión tiene como
función el absorber o atenuar las reacciones producidas en las ruedas por las
irregularidades del terreno, asegurando la comodidad de los pasajeros, la
protección de la carga y los componentes mecánicos del vehículo. Este
funcionamiento se obtiene con la combinación de los neumáticos, la elasticidad
de los asientos, y el sistema elástico de suspensión.
Para pequeñas irregularidades de la carretera, son los neumáticos los
encargados de absorber las mismas, pero, su misión mas importante es la de
garantizar el agarre sobre la carretera y una marcha silenciosa del vehículo.
Cuando las irregularidades de la carretera son grandes, entra en acción el
sistema de suspensión elástica generando oscilaciones en las ruedas, las
mismas que serán más grandes mientras más blanda sea el sistema. Las
oscilaciones generadas por el sistema de suspensión deben ser amortiguadas
rápidamente para asegurar el contacto de las ruedas con el terreno.
Se pueden diferenciar tres tipos de oscilaciones (producidas por las
irregularidades del terreno o por una conducción defectuosa, y a una carga
unilateralmente distribuida):
1. Oscilaciones de empuje, que son producidas al pasar sobre un terreno
ondulado.
2. Oscilaciones de cabeceo, producidas en los frenados bruscos.
3. Oscilaciones de bamboleo, producidas al tomar las curvas a alta
velocidad.
En la figura 1.1 se muestra los tipos de oscilaciones descritas anteriormente.
1
31
21
21
131
Figura 1.1 Oscilaciones del cuerpo del vehículo
Los automóviles viajan a elevada velocidad, y por ello están sometidos a un
amplio espectro de vibraciones. Estas vibraciones se transmiten a los
pasajeros de forma táctil, visual o audible. El término vibraciones se usa
normalmente en referencia a vibraciones táctiles y visuales, mientras que las
vibraciones audibles se definen como ruido.
El espectro de vibraciones se puede dividir de acuerdo con la frecuencia y
clasificarlas como vibraciones (0-25 Hz) y ruido (25-2500 Hz). Para entender el
entorno de vibración del vehículo hay que analizar las fuentes de excitación de
las vibraciones, la respuesta del vehículo, la percepción humana y tolerancia al
a las vibraciones, ya que el ambiente generado por las vibraciones es una del
los criterios más importantes por el que la gente juzga el diseño y la calidad de
construcción del auto.
Si se toma en consideración únicamente a las frecuencias verticales, la gama
existente puede ser dividida en tres tipos:
1. Oscilaciones de empuje.2. Oscilaciones de cabeceo.3. Oscilaciones de bamboleo
1 – 3 Hz: Correspondiente a las frecuencias naturales de la carrocería.
5 – 40 Hz: Frecuencias de oscilación de las masas no suspendidas
(generalmente entre 10 y 20 Hz).
40 – 250 Hz: Oscilaciones producidas en las masas no suspendidas,
debidas a las vibraciones naturales en los neumáticos.
Existen múltiples fuentes de excitación por las que se originan las vibraciones
en el vehículo, estas fuentes pueden dividirse en dos grandes grupos:
1. Ajenas al vehículo o indirectas: son las que se transmiten a la masa
suspendida a través de las masas no suspendidas y cuyo principal
exponente es el estado del terreno, es decir, las irregularidades por
donde tiene que desplazarse el vehículo.
2. Propias del vehículo o directas: son las ejercidas sobre la masa
suspendida por elementos contenidos o apoyados en ella, es decir, son
fuentes de excitación de vibraciones que están incorporadas al propio
vehículo y que surgen principalmente de componentes giratorios o
rotativos del mismo, como son los conjuntos llantas/neumáticos, el
sistema de tracción/transmisión, el motor y las acciones aerodinámicas.
PERCEPCIÓN Y TOLERANCIA DEL CUERPO HUMANO A
LAS VIBRACIONES.
Existen muchos estudios e investigaciones realizadas para determinar el rango
de frecuencias de vibraciones a las que el cuerpo humano responden con
síntomas de fatiga, malestar, etc. al conducir o circular en un vehículo.
Hay que considerar que existe el riesgo de que alguna zona del cuerpo entre
en resonancia con la frecuencia de excitación; claro esta que cada cuerpo
responde diferente a las vibraciones y según el sentido de éstas.
El cabeceo produce sensación de náuseas y alteraciones en el laberinto
auditivo que modifica el sentido del equilibrio. Si el aparato vestibular y el
líquido coclear del oído interno están sometidos de forma continua a
aceleraciones lineales y/o angulares de frecuencias entre 0.5 y 0.75 Hz, se
produce vértigo y mareo. Las frecuencias de 5 - 6 Hz causan fatiga general,
debida a la resonancia de los músculos. Los objetos de la región visceral se
ven afectados por frecuencias entre 5 y 7 Hz. La entrada en resonancia del
diafragma (4-8 Hz) o la cara frontal del tórax (10-50 Hz) produce dificultades
respiratorias. La cabeza y el cuello son muy sensibles a las vibraciones que
varían entre los 18 y 20 Hz, y las frecuencias del orden de los 20 Hz son
perjudiciales para las vértebras cervicales.
En función de los experimentos realizados, se ha llegado a unas frecuencias de
resonancias para otras partes del cuerpo que son:
Pierna flexionada (sentado): 2 Hz
Pierna rígida: 20 Hz
Torso superior (hombro): 4-5 Hz
Antebrazo: 5-10 Hz
Columna vertebral (axial): 10-12 Hz
Brazo: 16-30 Hz
Mano: 30-50 Hz
Globo ocular: 20-90 Hz
La vibración transmitida al globo ocular produce una pérdida de agudeza en la
visión.
En general, parece que las frecuencias verticales que resultan más incómodas
para el ser humano se encuentran entre 20 y 200 Hz, aunque la fatiga aparece
más rápidamente cuando las vibraciones están entre 4 y 8 Hz o por debajo de
0.75 Hz, y en ellas pueden aparecer vértigo y mareo.
Las frecuencias laterales o longitudinales en el mismo rango también molestan
porque alteran el mecanismo de equilibrio del oído interno.
En conclusión se ha determinado que las frecuencias aceptables están entre 1
y 2 Hz, jugando el asiento un papel fundamental en la sensación de confort,
cuyos muelles deben tener sus frecuencias naturales alejadas de las
solicitaciones transmitidas al casco de la carrocería, para evitar problemas de
resonancias.
ELEMENTOS DE LA SUSPENSIÓN.
En la figura 1.2 se muestra de forma esquemática la composición de la
suspensión.
Figura 1.2 Esquema de suspensión
Las masas no suspendidas 2 están constituidas por las ruedas, los frenos, los
puentes rígidos, y la parte de las suspensiones, bielas o brazos de empuje y
reacción, varillaje de la dirección, etc. los cuales de unen por un extremo al
conjunto de la rueda y el otro al bastidor o la carrocería.
El neumático 1 interpuesto entre las masas no suspendidas y el suelo.
Las masas suspendidas 4 están integradas por el bastidor, el grupo
motopropulsor, el diferencial suspendido (en un caso), los mandos de dirección
y frenos, la carrocería, los pasajeros, etc. y parte de los elementos citados
anteriormente.
Los muelles 3 que están interpuestos entre las masas no suspendidas 2 y las
suspendidas 4 y los amortiguadores 7, que son los órganos elásticos de lo
que se conoce como sistema de suspensión.
El almohadillado 5 y la forma del asiento 6 contribuyen con la suspensión a
proporcionar comodidad al pasajero.
Como se explico anteriormente las irregularidades pequeñas en las carreteras
son absorbidas por los neumáticos sin llegar a afectar la suspensión, así mismo
los esfuerzos laterales como las curvas y los longitudinales como aceleraciones
y frenadas, son en buena parte atenuadas por la flexibilidad transversal y
longitudinal de los neumáticos.
Cuando las irregularidades son grandes, los impactos que sufren las ruedas
provocan una compresión o una distensión en los muelles de la suspensión,
dependiendo si es una saliente o un bache de la carretera. En condiciones en
las que el vehículo se mantiene estático, el peso del mismo gravita en los
muelles, sometiéndolos a un prensado manteniendo al sistema en equilibrio.
Hay que tomar en consideración que las masas suspendidas, debido a su
inercia, tienden a seguir su trayectoria inicial.
Al pasar la rueda sobre una saliente es impulsada hacia arriba, almacenando
energía en el muelle comprimido, a continuación, el muelle se expande y hace
subir la carrocería. Como la energía transmitida a la carrocería (masas
suspendidas) es la generada por la rueda, y aquella tiene un peso muy superior
al de las masas no suspendidas, su recorrido vertical será muy inferior al de la
rueda, esta es una de las razones muy importantes por las que el peso de las
masas no suspendidas sea el menor posible. Después de que la energía
acumulada en el muelle se termina, la carrocería baja comprimiendo
nuevamente al muelle, que vuelve a acumular energía, y al expandirse vuelve a
levantarla, dando origen a un movimiento oscilatorio que continúa hasta ser
amortiguado. Lo mismo sucede cuando la rueda cae en un bache, en este caso
la carrocería baja por falta de sustentación y comprime el muelle, añadiendo a
esto el efecto que la rueda produce al subir del bache, luego después se
produce el mismo proceso anterior.
Cuando la rueda pasa sobre un obstáculo importante, el impacto que se
transmite a la carrocería es mayor cuanto más blanda sea la suspensión y más
deprisa vaya el vehículo, causando choques desagradables en los pasajeros y
sometiendo a los elementos constructivos a esfuerzos mayores a los
normales, los cuales pueden causar hasta una rotura de piezas. Para vehículos
que están diseñados para circular por terrenos muy irregulares, las
suspensiones son duras. Como dato adicional una suspensión blanda genera
frecuencias en la carrocería menores a los 50 Hz; las suspensiones duras
generan frecuencias mayores a 100 Hz.
La misión de los amortiguadores es hacer disminuir la amplitud y la aceleración
lo más rápido posible, hasta llegar a una posición de equilibrio del sistema.
Las barras estabilizadoras tienen como objetivo de contrarrestar la inclinación
del vehículo cuando toma las curvas a gran velocidad, conocido también como
efecto bamboleo, que hace que se comprima los muelles delantero y trasero
que se encuentran a la parte exterior de la curva, y expandir los muelles que se
encuentran al interior de la misma.
CLASES DE MUELLES.
Los muelles se construyen de acero de alta calidad, confiriéndole la elasticidad
deseada mediante diversos tratamientos; los mulles pueden ser de tres clases:
a. Ballestas.
b. Muelles helicoidales.
c. Barras de torsión.
a. Ballestas.
La ballesta figura 1.3, es un elemento que se comporta como un resorte de
flexión, puede soportar aparte de los esfuerzos de flexión, esfuerzos cortantes
y poseen un determinado amortiguamiento propio, debido a la fricción que se
produce entre las hojas cuando se flexionan.
Esta constituida por varias hojas de acero especial para muelles, las cuales
tienen distintos radios de curvatura, adoptando una forma semielíptica. La hoja
superior se denomina hoja maestra, que asume la función de guía de los
muelles así como de los ejes, en general es más larga y gruesa que las demás
hojas y en los extremos posee unos terminales llamados ojos. Las hojas se
unen mediante abrazaderas y un eje rígido (otros tipos de ballestas las hojas se
unen mediante el llamado perno capuchino). Dado que no pueden ser fijadas
de forma rígida al vehículo por la deformación elástica que se produce en la
ballesta, se conecta a través de un dispositivo llamado gemela.
Figura 1.3 Conjunto de la ballesta y fijaciones.
Como se puede observar en la gráfica, las hojas van disminuyendo
escalonadamente de longitud desde las superiores (más largas) a las inferiores
(más cortas). La razón para este escalonamiento es conseguir una resistencia
a la flexión aproximadamente uniforme en todas las secciones de la ballesta.
Aunque han sido la clase de resorte utilizado comúnmente en todo tipo de
vehículos, actualmente las ballestas se usan poco en los automóviles de
turismo, peor si se emplean en muchos vehículos todo terreno y en los
vehículos industriales.
b. Muelles helicoidales.
Los muelles o resortes helicoidales son en la actualidad los más utilizados en
los automóviles, se emplean tanto en la suspensión delantera como la trasera.
Sus propiedades elásticas dependen del diámetro de la espira, de la distancia
entre espiras (paso de la espira), y del diámetro y las propiedades del hilo
utilizado. El coeficiente del resorte es calculado para hacerlo compatible con
cada automóvil; en algunos casos esto es distinto de derecha a izquierda.
a b c d
Los muelles están diseñados para soportar en forma adecuada la carga según
su dirección longitudinal, y proporcionar al mismo tiempo una conducción suave
y blanda como sea posible.
Figura 1.4 Clases de muelles helicoidales: a. Flexibilidad constante
b, c, d. Flexibilidad variable.
En la figura 1.4 se muestran distintas clases de muelles. Cuando el diámetro de
las espiras y el paso son constantes (detalle a) su flexibilidad es constante. Al
hacer mayor el paso de las espiras centrales (detalle b) se consigue que las
espiras externas se flexen primero, y al aumentar la carga lo hagan las del
medio. El mismo efecto se logra con los muelles cónicos (detalle c), donde
primero se comprimen las espiras de mayor diámetro. El muelle en forma de
doble cono (detalle d) tiene las espiras centrales más separadas, siendo este
muelle de flexibilidad variable.
c. Barras de torsión.
En varios diseños actuales (sobretodo de turismo) se utilizan barras de torsión
como elementos elásticos, especialmente en suspensiones independientes. En
la figura 1.5 se muestra la constitución de un a barra de torsión la cual puede
ser de sección circular o rectangular. La barra de torsión esta sujeta al bastidor
y se conecta indirectamente con la rueda. En algunos casos el extremo trasero
de la barra esta fijo al chasis y el delantero al brazo de control de la
suspensión, que actúa como palanca; al moverse verticalmente la rueda, la
barra se tuerce. Las barras de torsión pueden estar montadas
longitudinalmente o transversalmente. Las barras de torsión están hechas de
una aleación tratada por calor para el acero, durante la manufactura son
precisamente estiradas para darles una resistencia contra la fatiga.
Figura 1.5 Barra de torsión
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