Cómo funcionan las suspensiones de automóviles

Cuando la gente piensa en el rendimiento de un automóvil, normalmente piensa en caballos de fuerza, torque y aceleración de cero a 60. Pero toda la potencia generada por un motor de pistón es inútil si el conductor no puede controlar el automóvil. Es por eso que los ingenieros de automóviles centraron su atención en el sistema de suspensión casi tan pronto como dominaron el motor de combustión interna de cuatro tiempos.

El trabajo de la suspensión de un automóvil es maximizar la fricción entre las llantas y la superficie de la carretera, brindar estabilidad en la dirección con un buen manejo y garantizar la comodidad de los pasajeros. En este artículo, exploraremos cómo funcionan las suspensiones de los automóviles, cómo han evolucionado a lo largo de los años y hacia dónde se dirige el diseño de las suspensiones en el futuro.

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Si una carretera fuera perfectamente plana, sin irregularidades, las suspensiones no serían necesarias. Pero las carreteras están lejos de ser planas. Incluso las carreteras recién pavimentadas tienen imperfecciones sutiles que pueden interactuar con las ruedas de un automóvil. Son estas imperfecciones las que aplican fuerzas a las ruedas. Según las leyes del movimiento de Newton, todas las fuerzas tienen tanto magnitud como dirección. Un bache en el camino hace que la rueda se mueva hacia arriba y hacia abajo perpendicularmente a la superficie del camino. La magnitud, por supuesto, depende de si la rueda golpea un bache gigante o una pequeña mota. De cualquier manera, la rueda del automóvil experimenta una aceleración vertical cuando pasa sobre una imperfección.

Sin una estructura intermedia, toda la energía vertical de la rueda se transfiere al marco, que se mueve en la misma dirección. En tal situación, los neumáticos pueden perder completamente el contacto con la carretera. Luego, bajo la fuerza descendente de la gravedad, las llantas pueden volver a chocar contra la superficie de la carretera. Lo que necesita es un sistema que absorba la energía de la rueda acelerada verticalmente, permitiendo que el marco y la carrocería viajen sin perturbaciones mientras los neumáticos siguen los baches de la carretera.

El estudio de las fuerzas que actúan sobre un automóvil en movimiento se llama dinámica del vehículo, y es necesario comprender algunos de estos conceptos para apreciar por qué es necesaria una suspensión en primer lugar. La mayoría de los ingenieros de automóviles consideran la dinámica de un automóvil en movimiento desde dos perspectivas:

Estas dos características se pueden describir con más detalle en tres principios importantes: aislamiento de la carretera, adherencia a la carretera y curvas. La siguiente tabla describe estos principios y cómo los ingenieros intentan resolver los desafíos únicos de cada uno.

La suspensión de un automóvil, con sus diversos componentes, proporciona todas las soluciones descritas.

Veamos las partes de una suspensión típica, trabajando desde el panorama general del chasis hasta los componentes individuales que componen la suspensión propiamente dicha.

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La suspensión de un automóvil es en realidad parte del chasis, que comprende todos los sistemas importantes ubicados debajo de la carrocería del automóvil. Estos sistemas incluyen:

Por lo tanto, la suspensión es solo uno de los principales sistemas de cualquier vehículo.

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Con esta descripción general en mente, es hora de ver los tres componentes fundamentales de cualquier suspensión: resortes, amortiguadores y barras estabilizadoras.

Los sistemas de resortes actuales se basan en uno de cuatro diseños básicos:

Según la ubicación de los resortes en un automóvil, es decir, entre las ruedas y el bastidor, a los ingenieros a menudo les resulta conveniente hablar sobre la masa suspendida y la masa no suspendida.

La masa suspendida es la masa del vehículo apoyada en los resortes, mientras que la masa no suspendida se define libremente como la masa entre la carretera y los resortes de suspensión. La rigidez de los resortes afecta la forma en que responde la masa suspendida mientras se conduce el automóvil. Los autos con resortes flojos, como los autos de lujo (piense en Mercedes-Benz Clase C), pueden absorber golpes y brindar una conducción súper suave; sin embargo, dicho automóvil es propenso a hundirse y ponerse en cuclillas durante el frenado y la aceleración y tiende a experimentar balanceo o balanceo de la carrocería durante las curvas. Los autos con resortes apretados, como los autos deportivos (piense en Mazda Miata MX-5), son menos indulgentes en caminos con baches, pero minimizan bien el movimiento de la carrocería, lo que significa que pueden conducirse de manera agresiva, incluso en las esquinas.

Entonces, si bien los resortes en sí mismos parecen dispositivos simples, diseñarlos e implementarlos en un automóvil para equilibrar la comodidad de los pasajeros con el manejo es una tarea compleja. Y para hacer las cosas más complejas, los resortes por sí solos no pueden proporcionar una marcha perfectamente suave. ¿Por qué? Porque los resortes son excelentes para absorber energía, pero no tan buenos para disiparla. Para hacer esto, se requieren otras estructuras, conocidas como amortiguadores.

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A menos que exista una estructura amortiguadora, el resorte de un automóvil se extenderá y liberará la energía que absorbe de un bache a un ritmo descontrolado. El resorte continuará rebotando a su frecuencia natural hasta que se agote toda la energía que se le puso originalmente. Una suspensión construida solo con resortes daría lugar a un viaje extremadamente dinámico y, según el terreno, a un automóvil incontrolable.

Ingrese el amortiguador, o snubber, un dispositivo que controla el movimiento del resorte no deseado a través de un proceso conocido como amortiguación. Los amortiguadores ralentizan y reducen la magnitud de los movimientos vibratorios al convertir la energía cinética del movimiento de la suspensión en energía térmica que se puede disipar a través del fluido hidráulico. Para entender cómo funciona esto, lo mejor es mirar dentro de un amortiguador para ver su estructura y función.

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Un amortiguador es básicamente una bomba de aceite colocada entre el chasis del coche y las ruedas. El soporte superior del amortiguador se conecta al marco (es decir, el peso suspendido), mientras que el soporte inferior se conecta al eje, cerca de la rueda (es decir, el peso no suspendido). En un diseño de doble tubo, uno de los tipos más comunes de amortiguadores, el montaje superior está conectado a una varilla de pistón, que a su vez está conectada a un pistón, que a su vez se asienta en un tubo lleno de fluido hidráulico. El tubo interior se conoce como tubo de presión y el tubo exterior se conoce como tubo de reserva. El tubo de reserva almacena el exceso de fluido hidráulico.

Cuando la rueda del automóvil encuentra un bache en el camino y hace que el resorte se enrolle y se desenrolle, la energía del resorte se transfiere al amortiguador a través del montaje superior, hacia abajo a través del vástago del pistón y dentro del pistón. Los orificios perforan el pistón y permiten que el líquido se filtre a medida que el pistón se mueve hacia arriba y hacia abajo en el tubo de presión. Debido a que los agujeros son relativamente pequeños, solo pasa una pequeña cantidad de fluido, bajo una gran presión. Esto ralentiza el pistón, que a su vez ralentiza el resorte.

Los amortiguadores funcionan en dos ciclos: el ciclo de compresión y el ciclo de extensión. El ciclo de compresión ocurre cuando el pistón se mueve hacia abajo, comprimiendo el fluido hidráulico en la cámara debajo del pistón. El ciclo de extensión ocurre cuando el pistón se mueve hacia la parte superior del tubo de presión, comprimiendo el fluido en la cámara sobre el pistón. Un automóvil o camión ligero típico tendrá más resistencia durante su ciclo de extensión que durante su ciclo de compresión. Con eso en mente, el ciclo de compresión controla el movimiento del peso no suspendido del vehículo, mientras que la extensión controla el peso suspendido más pesado.

Todos los amortiguadores modernos son sensibles a la velocidad: cuanto más rápido se mueve la suspensión, más resistencia ofrece el amortiguador. Esto permite que los amortiguadores se ajusten a las condiciones de la carretera y controlen todos los movimientos no deseados que pueden ocurrir en un vehículo en movimiento, incluidos rebotes, balanceos, frenos en picado y aceleración en cuclillas.

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Otra estructura de amortiguación común es el puntal, básicamente un amortiguador montado dentro de un resorte helicoidal. Los puntales realizan dos trabajos: brindan una función de amortiguación como los amortiguadores y brindan soporte estructural para la suspensión del vehículo. Eso significa que los puntales brindan un poco más que los amortiguadores, que no soportan el peso del vehículo: solo controlan la velocidad a la que se transfiere el peso en un automóvil, no el peso en sí.

Debido a que los amortiguadores y puntales tienen mucho que ver con el manejo de un automóvil, pueden considerarse características de seguridad críticas. Los amortiguadores y puntales desgastados pueden permitir una transferencia excesiva del peso del vehículo de un lado a otro y de adelante hacia atrás. Esto reduce la capacidad del neumático para adherirse a la carretera, así como el rendimiento de manejo y frenado.

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Las barras estabilizadoras (también conocidas como barras estabilizadoras) se utilizan junto con amortiguadores o puntales para dar estabilidad adicional a un automóvil en movimiento. Una barra estabilizadora es una barra de metal que se extiende por todo el eje y une efectivamente cada lado de la suspensión.

Cuando la suspensión de una rueda se mueve hacia arriba y hacia abajo, la barra estabilizadora transfiere el movimiento a la otra rueda. Esto crea una conducción más nivelada y reduce el balanceo del vehículo. En particular, combate el balanceo de un automóvil sobre su suspensión en las curvas. Por esta razón, casi todos los automóviles de hoy en día están equipados con barras estabilizadoras como equipo estándar, aunque si no lo están, los kits facilitan la instalación de las barras en cualquier momento.

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Hasta ahora, nuestras discusiones se han centrado en cómo funcionan los resortes y los amortiguadores en cualquier rueda. Pero las cuatro ruedas de un automóvil funcionan juntas en dos sistemas independientes: las dos ruedas conectadas por el eje delantero y las dos ruedas conectadas por el eje trasero. Eso significa que un automóvil puede tener y generalmente tiene un tipo diferente de suspensión en la parte delantera y trasera.

Mucho depende de si un eje rígido une las ruedas o si se permite que las ruedas se muevan de forma independiente. El primer arreglo se conoce como sistema dependiente, mientras que el último arreglo se conoce como sistema independiente. En las siguientes secciones, veremos algunos de los tipos comunes de suspensiones delanteras y traseras que se usan típicamente en los autos convencionales.

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Las suspensiones delanteras dependientes tienen un eje delantero rígido que conecta las ruedas delanteras. Básicamente, esto parece una barra sólida debajo de la parte delantera del automóvil, mantenida en su lugar por ballestas y amortiguadores. Las suspensiones delanteras dependientes, que son comunes en las camionetas, no se han utilizado en los automóviles convencionales durante años.

En esta configuración, las ruedas delanteras pueden moverse de forma independiente. El puntal MacPherson, desarrollado por Earle S. MacPherson de General Motors en 1947, es el sistema de suspensión delantera más utilizado, especialmente en automóviles de origen europeo.

El puntal MacPherson combina un amortiguador y un resorte helicoidal en una sola unidad. Esto proporciona un sistema de suspensión más compacto y liviano que se puede usar para vehículos con tracción delantera.

La suspensión de doble horquilla, también conocida como suspensión de brazo en A o suspensión de brazo de control, es otro tipo común de suspensión delantera independiente.

Si bien hay varias configuraciones posibles diferentes, este diseño generalmente usa dos brazos en forma de horquilla para ubicar la rueda. Cada horquilla, que tiene dos posiciones de montaje en el marco y una en la rueda, lleva un amortiguador y un resorte helicoidal para absorber las vibraciones. Las suspensiones de doble horquilla permiten un mayor control sobre el ángulo de inclinación de la rueda, que describe el grado en que las ruedas se inclinan hacia adentro y hacia afuera. También ayudan a minimizar el balanceo o balanceo y brindan una sensación de dirección más consistente. Debido a estas características, la suspensión de doble horquilla es común en las ruedas delanteras de los automóviles más grandes.

Ahora veamos algunas suspensiones traseras comunes.

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Si un eje sólido conecta las ruedas traseras de un automóvil, entonces la suspensión suele ser bastante simple, basada en un resorte de hoja o un resorte helicoidal. En el diseño anterior, las ballestas se sujetan directamente al eje motriz. Los extremos de los resortes de hojas se unen directamente al marco y el amortiguador se une a la abrazadera que sujeta el resorte al eje. Durante muchos años, los fabricantes de automóviles estadounidenses prefirieron este diseño debido a su simplicidad.

El mismo diseño básico se puede lograr con resortes helicoidales que reemplazan las hojas. En este caso, el resorte y el amortiguador se pueden montar como una sola unidad o como componentes separados. Cuando están separados, los resortes pueden ser mucho más pequeños, lo que reduce la cantidad de espacio que ocupa la suspensión.

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Si las suspensiones delantera y trasera son independientes, entonces todas las ruedas se montan y amortiguan individualmente, lo que da como resultado lo que los anuncios de automóviles promocionan como "suspensión independiente en las cuatro ruedas". Cualquier suspensión que se pueda usar en la parte delantera del automóvil se puede usar en la parte trasera, y las versiones de los sistemas independientes delanteros descritos en la sección anterior se pueden encontrar en los ejes traseros. Por supuesto, en la parte trasera del automóvil, la cremallera de dirección, el conjunto que incluye la rueda dentada de piñón y permite que las ruedas giren de lado a lado, está ausente. Esto significa que las suspensiones traseras independientes pueden ser versiones simplificadas de las delanteras, aunque los principios básicos siguen siendo los mismos.

A continuación, veremos las suspensiones de los autos especiales.

Los vagones y carruajes del siglo XVI intentaron resolver el problema de "sentir cada bache en el camino" colgando la carrocería del carruaje con correas de cuero unidas a cuatro postes de un chasis que parecía una mesa volcada. Debido a que la carrocería del carro estaba suspendida del chasis, el sistema se conoció como "suspensión", un término que aún se usa hoy para describir toda la clase de soluciones. La suspensión de carrocería suspendida no era un verdadero sistema de resortes, pero permitía que la carrocería y las ruedas del carruaje se movieran de forma independiente. Los diseños de resortes semielípticos, también conocidos como resortes de carro, reemplazaron rápidamente la suspensión con correa de cuero. Populares en vagones, calesas y carruajes, los resortes semielípticos se usaban a menudo en los ejes delantero y trasero. Sin embargo, tendían a permitir el balanceo hacia adelante y hacia atrás y tenían un centro de gravedad alto. Cuando los vehículos motorizados salieron a la carretera, se estaban desarrollando otros sistemas de suspensión más eficientes para suavizar el viaje de los pasajeros.

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En su mayor parte, este artículo se ha centrado en las suspensiones de los automóviles convencionales con tracción delantera y trasera, automóviles que circulan por carreteras normales en condiciones de conducción normales. Pero, ¿qué pasa con las suspensiones de los autos especiales, como los hot rods, los de carrera o los vehículos todoterreno extremos? Aunque las suspensiones de los autos especiales obedecen a los mismos principios básicos, brindan beneficios adicionales exclusivos para las condiciones de conducción en las que deben navegar. Lo que sigue es una breve descripción de cómo se diseñan las suspensiones para tres tipos de autos especiales: Baja Bugs, autos de Fórmula Uno y hot rods de estilo americano.

El Volkswagen Beetle, o Bug, estaba destinado a convertirse en el favorito de los entusiastas del todoterreno. Con un centro de gravedad bajo y una ubicación del motor sobre el eje trasero, el Bug con tracción en dos ruedas maneja las condiciones todoterreno así como algunos vehículos con tracción en las cuatro ruedas. Por supuesto, el VW Bug no está listo para condiciones todoterreno con su equipo de fábrica. La mayoría de los Bugs requieren algunas modificaciones o conversiones para prepararlos para competir en condiciones adversas como los desiertos de Baja California.

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Una de las modificaciones más importantes tiene lugar en la suspensión. La suspensión de barra de torsión, equipo estándar en la parte delantera y trasera de la mayoría de los Bugs entre 1936 y 1977, se puede levantar para dejar espacio para ruedas y neumáticos todoterreno de servicio pesado. Los amortiguadores más largos reemplazan a los amortiguadores estándar para levantar la carrocería más alto y proporcionar el máximo recorrido de la rueda. En algunos casos, los convertidores Baja Bug eliminan las barras de torsión por completo y las reemplazan con múltiples sistemas de bobinado, un artículo del mercado de accesorios que combina el resorte y el amortiguador en una unidad ajustable. El resultado de estas modificaciones es un vehículo que permite que las ruedas viajen verticalmente 20 pulgadas (50 centímetros) o más en cada extremo. Dicho automóvil puede navegar fácilmente por terrenos accidentados y, a menudo, parece "saltar" sobre la tabla de lavar del desierto como una piedra sobre el agua.

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El coche de carreras de Fórmula Uno representa el pináculo de la innovación y evolución del automóvil. Las carrocerías ligeras de material compuesto, los potentes motores V10 y la aerodinámica avanzada han dado lugar a coches más rápidos, seguros y fiables.

Para elevar la habilidad del conductor como el factor diferenciador clave en una carrera, el diseño de autos de carrera de Fórmula Uno se rige por reglas y requisitos estrictos. Por ejemplo, las reglas que regulan el diseño de la suspensión dicen que todos los corredores de Fórmula Uno deben tener resortes convencionales, pero no permiten suspensiones activas controladas por computadora. Para adaptarse a esto, los autos cuentan con suspensiones de enlaces múltiples, que utilizan un mecanismo de varillas múltiples equivalente a un sistema de doble horquilla.

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Recuerde que un diseño de doble horquilla utiliza dos brazos de control en forma de horquilla para guiar el movimiento hacia arriba y hacia abajo de cada rueda. Cada brazo tiene tres posiciones de montaje, dos en el marco y uno en el cubo de la rueda, y cada articulación tiene bisagras para guiar el movimiento de la rueda. En todos los autos, el principal beneficio de una suspensión de doble horquilla es el control. La geometría de los brazos y la elasticidad de las articulaciones brindan a los ingenieros el máximo control sobre el ángulo de la rueda y otras dinámicas del vehículo, como elevación, sentadilla y picado.

Sin embargo, a diferencia de los autos de carretera, los amortiguadores y los resortes helicoidales de un auto de carreras de Fórmula Uno no se montan directamente en los brazos de control. En cambio, están orientados a lo largo del automóvil y se controlan de forma remota a través de una serie de varillas de empuje y tracción. Traducen los movimientos hacia arriba y hacia abajo de la rueda en el movimiento hacia adelante y hacia atrás del aparato de resorte y amortiguador.

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La era clásica de los hot rod estadounidenses duró desde 1945 hasta aproximadamente 1965. Al igual que los Baja Bugs, los hot rods clásicos requerían modificaciones significativas por parte de sus propietarios. Sin embargo, a diferencia de los Bugs, que se construyen sobre chasis Volkswagen, los hot rods se construyeron sobre una variedad de modelos de automóviles antiguos, a menudo históricos: los automóviles fabricados antes de 1945 se consideraban el forraje ideal para las transformaciones de hot rod porque sus carrocerías y marcos a menudo estaban en buen estado. , mientras que sus motores y transmisiones necesitaban ser reemplazados por completo. Para los entusiastas del hot rod, esto era exactamente lo que querían, ya que les permitía instalar motores más fiables y potentes, como el Ford V8 de cabeza plana o el Chevrolet V8.

Un hot rod popular se conocía como T-bucket porque estaba basado en el Ford Modelo T. La suspensión original de Ford en la parte delantera del Modelo T consistía en un eje delantero sólido con viga en I (una suspensión dependiente), un eje delantero en U resorte en forma de buggy (resorte de hoja) y una barra de radio en forma de horquilla con una bola en el extremo trasero que pivotaba en una copa unida a la transmisión.

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Los ingenieros de Ford construyeron el Modelo T para viajar alto con una gran cantidad de movimiento de suspensión, un diseño ideal para las carreteras rudimentarias y primitivas de la década de 1930. Pero después de la Segunda Guerra Mundial, los hot rodders comenzaron a experimentar con motores Cadillac o Lincoln más grandes, lo que significó que la varilla radial en forma de horquilla ya no era aplicable. En cambio, quitaron la bola central y atornillaron los extremos de la horquilla a los rieles del marco. Este diseño de "brazo dividido" bajó el eje delantero aproximadamente 1 pulgada (2,5 centímetros) y mejoró el manejo del vehículo.

Bajar el eje más de una pulgada requería un diseño completamente nuevo, que fue suministrado por una empresa conocida como Bell Auto. A lo largo de las décadas de 1940 y 1950, Bell Auto ofreció ejes de tubo abatible que bajaban el automóvil 5 pulgadas (13 centímetros). Los ejes de tubo se construyeron con tubos de acero lisos y una fuerza equilibrada con una excelente aerodinámica. La superficie de acero también aceptaba el cromado mejor que los ejes de viga en I forjados, por lo que los hot rodders a menudo también los preferían por sus cualidades estéticas.

Sin embargo, algunos entusiastas del hot rod argumentaron que la rigidez del eje del tubo y la incapacidad para flexionarse comprometían la forma en que manejaba las tensiones de la conducción. Para acomodar esto, los hot rodders introdujeron la suspensión de cuatro barras, utilizando dos puntos de montaje en el eje y dos en el marco. En cada punto de montaje, las rótulas estilo avión brindaban mucho movimiento en todos los ángulos. ¿El resultado? El sistema de cuatro barras mejoró el funcionamiento de la suspensión en todo tipo de condiciones de conducción.

Para obtener más información sobre suspensiones de automóviles y temas relacionados, consulte los enlaces a continuación.

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Publicado originalmente: 11 de mayo de 2005