1. Diseño y Análisis de
Suspensiones para Vehículos deSuspensiones para Vehículos de
Competición.
2. ProgramaPrograma
• Introducción a una suspensión.
• El medio de resorte• El medio de resorte.
– Dimensionado de resortes
– Dimensionado de barras estabilizadoras
• Ubicación
• El paquete ganador
– Diseño de suspensión externa.
– Diseño de geometría de suspensión en vista frontal.
– Diseño de sistema de dirección.
– Geometría de suspension en vista lateral.
• Transferencia de masa
• Amortiguadores
– Selección de características técnicas de amortiguadores
• Técnicas de construcción practicas en la suspensión
• Bases de dinámica vehicular
3. ¿Que es una Suspensión?¿Que es una Suspensión?
• Es un sistema masa-resorte-
amortiguador (no es ni unamortiguador. (no es ni un
resorte ni un amortiguador)
• Filtro Mecánico
– Independizar ocupantes del
vehículo de las vibraciones del
l ( did d)suelo (comodidad).
– Reducir la variación de la
fuerza en el punto de contacto
de la rueda (tracción).
• Control de transferencia deCo t o de t a s e e c a de
masa
– Controla la velocidad de
transferencia de masa.
– Controla la distribución de la
transferencia adelante/atrástransferencia adelante/atrás
4. El medio de resorteEl medio de resorte
• La función principal de un resorte
es almacenar la energíaes almacenar la energía.
• Esta energía es luego absorbida
por el amortiguador.
• Los resortes se utilizan para
resistir dos tipos de movimientoresistir dos tipos de movimiento.
– Movimiento vertical y cabeceo
(resortes convencionales)
– Alabeo (barras estabilizadoras)
• Para cada uno de estos casos aPara cada uno de estos casos a
través de la historia se han
realizado un sinnúmero de
soluciones que se analizaran a
continuación.
5. Resortes de hoja o ballestasResortes de hoja o ballestas
• Esta solución ha servido para soportar la
mayor parte de los vehículosmayor parte de los vehículos
desarrollados a través de la historia.
• Su gran ventaja practica era la capacidad
de ser manufacturado por un herrero.
• Sirve de resorte y de mecanismo de
suspensiónsuspensión
• Su bajo costo de producción lo convierte
en una alternativa interesante.
• Su uso en la competición se ha visto muy
afectado debido a su alto peso y a la
dificultad de variación de susdificultad de variación de sus
propiedades rápidamente (ajuste en
pista)
• Su constante se calcula siguiendo la
siguiente formula:
6. Barras de TorsiónBarras de Torsión
• Consisten de simples elementos de barra
o tubería que se cargan en torsión.o tubería que se cargan en torsión.
• Su respuesta es completamente lineal
• Se utiliza comúnmente como resorte en
los sistemas que resisten el alabeo
(barras estabilizadoras)
• Actualmente es la solución mas utilizada• Actualmente es la solución mas utilizada
como resorte de movimiento vertical en
los monoplazas de alto nivel (Formula 1,
Le Mans)
• La rigidez de una barra de este tipo esta
dada por la formula:dada por la formula:
7. CauchoCaucho
• Es un medio de suspensión que
ha aparecido y desaparecido aha aparecido y desaparecido a
través de los años
• Es controlable
• Ligero
E i t tid d d• Existe una gran cantidad de
conocimiento en cuanto a su
diseño
• Se puede formular de manera que
actúe como resorte yactúe como resorte y
amortiguador
• Debido a su baja deflexión se
requieren mecanismos
amplificadores o complicadosamplificadores o complicados
sistemas en tracción.
8. AireAire
• El aire esta alrededor de todos
nosotros y es completamente gratuitonosotros y es completamente gratuito
• Ha funcionado muy bien en
aplicaciones comerciales donde se
requiere un control de la suspensión.
• Es muy importante sin embargo,
t lcontrolar:
– La temperatura
– La Presión
• Compresor o tanque
• Requiere un amortiguador para que• Requiere un amortiguador para que
absorba la energía.
• Permite el desarrollo de estrategias de
control y de suspensiones activas.
9. AceiteAceite
• Este método solo debe utilizarse en
d ió hid á licaso de suspensión servo hidráulica
activa.
• En este caso toda la suspensión se
condensa en un pistón hidráulico y un
programa de computador hace las
veces de resorte/amortiguador.
• Fue usado con mucho éxito en Lotus
99T de 1987 en el que Ayrton Sennaq y
ganó el GP de Mónaco
• Su principal problema es el costo de
componentes hidráulicos livianos y la
complejidad de las estrategias decomplejidad de las estrategias de
control necesarias.
10. ElectromagnetismoElectromagnetismo
• Se fundamente en
complejas estrategias
de control.
P it• Permite una
suspensión
infinitamente ajustable.j
• Las soluciones
actualmente existentes
son muy pesadas
Video
son muy pesadas
11. Resortes espiralesResortes espirales
• Es el tipo de resorte mas
tili d l hí l dutilizado en los vehículos de
competición y de calle hoy
en día
• Tiene un bajo costoTiene un bajo costo
• Es predecible
• Es liviano
• Compacto• Compacto
• Confiable
• Pueden ser constantes o
progresivosprogresivos
13. DimensionadoDimensionado
• Para dimensionar los resortes necesarios
para un carro, es necesario distinguir cualesp , g
son los dos modos del cuerpo que rigen su
comportamiento
– Alabeo y movimiento vertical
• Para comenzar se deben estimar para el
vehículo los siguientes parámetros:
P ( il t fl id ) ( )– Peso (con piloto y fluidos) (m)
– Porcentaje del peso adelante (Dm)
– Trocha (T)
– Altura del centro de gravedad (Hcg)
– Ventaja mecánica deseada entre resorte y
llanta (Rs)llanta (Rs)
– Ventaja mecánica deseada entre barra
estabilizadora y llanta (Rb).
– Altura del centro de alabeo (Hrc) (se
describirá mas adelante.)
– Fuerza aerodinámica esperada (Fa)
14. Dimensionado para el
movimiento vertical (resortes)
• El dimensionado de los
liresortes se realiza
mediante la frecuencia
fundamental (f) del
mismomismo
• Esta debe estar entre
0.8 y 6Hz.
• La frecuencia del tren
trasero debe ser
aproximadamente 20%
l d l tmas que la delantera
15. Dimensionado para el
movimiento vertical (resortes)
• Una vez se calculó la constante del
resorte es necesario verificar suresorte es necesario verificar su
desplazamiento con el peso del carro
– Se debe diseñar la precarga (P) para que
2/3 de la carrera del resorte sean en
compresión
– Se debe asegurar que bajo la carga
di á i á i l ióaerodinámica máxima la suspensión no
se comprime hasta el tope
• Este dimensionado debe hacerse muy al
principio del proceso de diseño y debe
realizarse en una tabla de calculo
(excel) esto permitirá ajustar los valores(excel), esto permitirá ajustar los valores
a medida que se tiene mas información
durante el proceso de diseño y permitirá
realizar las modificaciones pertinentes.
16. Dimensionado para el alabeoDimensionado para el alabeo
• Es muy importante saber que para
resistir al alabeo intervienen tantoresistir al alabeo intervienen tanto
los resortes, como las barras
estabilizadoras
• Se introduce un parámetro que se
llama la resistencia al alabeo y esllama la resistencia al alabeo y es
independiente adelante y atrás,
este es el principal parámetro
para afectar el comportamiento
del carro (Nm/grado)
Resistencia de los resortes.
• Se determina también un
parámetro llamado el gradiente de
alabeo que permite definir el
ángulo de alabeo en función de la
aceleración lateral (grados/g)
Resistencia de las barras
aceleración lateral. (grados/g)
Estabilizadoras.
17. Calculo de la constante a la rueda
i l b bili dgracias a la barra estabilizadora
• La barra estabilizadora es un resorte de
tipo torsión como se mencionótipo torsión como se mencionó
anteriormente que sirve para oponerse
solo al alabeo.
• Esta barra puede ser de tipo hueco o
solido y debe dimensionarse además
para la fatiga.p g
• Existe además un componente de flexión
en el brazo pero en este calculo se
desprecia, sin embargo en caso de
utilizar ajuste de tipo “cuchilla” se deben
utilizar.
• Las barras huecas son mas livianas y se
aconseja su utilización. ( en este caso
D^4=(D^4-d^4))
20. Calculo del gradiente de alabeoCalculo del gradiente de alabeo
• Se reconoce que el centro de
alabeo es el punto alrededor delalabeo es el punto alrededor del
cual el chasis gira en el momento
de alabeo.
– Se obtiene por construcción
geométrica, se profundizara mas
adelante.
• Según el principio de d’alembert
una fuerza lateral genera una
fuerza centrifuga aplicada en el
centro de gravedadcentro de gravedad
• La diferencia entre la altura del
centro de alabeo y el centro de
gravedad genera un momento y
este es el que genera el alabeoeste es el que genera el alabeo.
• La relación entre la aceleración
lateral (a) y el alabeo θ se conoce
como gradiente de alabeo.
22. Ubicación y ConfiguraciónUbicación y Configuración
• Existen muchos tipos de
iósuspensión.
• Nombradas de acuerdo a la
ubicación de sus
componentescomponentes.
• Además existen
posibilidades casi infinitas
de posicionamiento de losp
componentes
• A continuación se
presentaran algunas de
estasestas.
40. Diseño de Suspensión ExternaDiseño de Suspensión Externa
• Suspensión externa se llama todo lo que hay por fuerap q y p
de las tijeras de suspensión
• Antes de comenzar a diseñar
– Llanta (estándar)Llanta (estándar)
– Rin (estándar)
– Disco (estándar)
– Manzana (estándar)– Manzana (estándar)
– Rodamientos (estándar)
– Porta Manguetas (estándar)
Mordazas de freno (estándar)– Mordazas de freno (estándar)
41. Pivote de DirecciónPivote de Dirección
• El camber es la inclinación de la rueda con
respecto a un plano vertical, perpendicular ap p , p p
su eje.
– Positivo cuando la parte de arriba de la rueda
va hacia fuera
– El camber negativo aumenta la tracción en
curvas (borrador), pero demasiado genera
perdida de capacidad de frenado.p p
– El camber varía con la posición de la
suspensión.
• El ángulo de pivote, es el ángulo que se
forma entre las dos rotulas del porta
manguetas y una línea vertical en vista
frontalfrontal.
– Este ángulo es fijo en la formula SENA. (porta
manguetas estándar)
– Con este ángulo se busca reducir el offset de
pivote.
– Los efectos de este en el camber son
negativosnegativos
42. • El offset de pivote es la distancia
entre el punto de contacto de laentre el punto de contacto de la
rueda y la línea que una las dos
rotulas.
– Determina el radio que hay que
“arrastrar” la rueda.
– Tiene una influencia directa en la
dureza de la dirección.
• El ángulo de caster es el
equivalente del ángulo de pivote
i t l t lpero en vista lateral
– Tiene un efecto beneficioso en el
camber
– Generalmente oscila entre 4° y 7°
El offset de caster esta– El offset de caster esta
determinado por el caster
43. Geometría de la suspensión en
i f lvista frontal.
• Existen dos • Se busca optimizar elExisten dos
condiciones en las
que se debe evaluar
• Se busca optimizar el
camber en todas las
condiciones.
la geometría de la
suspensión
• Se busca también
minimizar la variación
– Alabeo
– Movimiento vertical
T d
de la trocha
• Se busca minimizar el
• Todo es un
compromiso
movimiento del centro
de alabeo.
44. Como hallar el centro de alabeoComo hallar el centro de alabeo
61. La altura del centro de alabeoLa altura del centro de alabeo
• Si el centro de alabeo esta a la altura del centro de
d d h l bgravedad no hay alabeo
• Existen unas fuerzas llamadas “Jacking” que
dependen de la altura del centro de alabeo
62. Diseño del sistema de direccionDiseño del sistema de direccion
• Para el diseño delPara el diseño del
sistema de
dirección hay tresdirección hay tres
parámetros que se
deben analizar:deben analizar:
– El ackerman
El roll steer– El roll steer
– El bump steer
63. El AckermanEl Ackerman
• Teoría desarrolladaTeoría desarrollada
por Erasmus Darwin
• Desarrollada paraDesarrollada para
los coches de
caballocaballo
• Busca hacer que el
carro gire alrededorcarro gire alrededor
de un punto fijo
64. El “Bump Steer”El Bump Steer
• Trayectorias diferentesy
entre tijeras y barras
de dirección
• Esto hace que elEsto hace que el
ángulo de dirección de
la rueda varíe con el
movimiento verticalmovimiento vertical
• Se deben realizar
simulaciones que
permitan minimizarpermitan minimizar
este fenómeno
65. El “roll steer”El roll steer
• Es equivalente alEs equivalente al
“bump steer” pero
ocurre en el alabeo.
• Se debe minimizar
pero si no es posible
l ll t d fla llanta de afuera.
– Se debe abrir
adelante .adelante .
– Se debe cerrar atras
66. Geometría de suspensión en
vista lateral
• Regulando lag
inclinación de las
tijeras en vista lateral
se puede regular else puede regular el
movimiento del carro
en aceleración/frenado
• Se conoce como anti-
clavada y a anti
sentadasentada
68. Transferencia de masaTransferencia de masa
• Existen dos tiposExisten dos tipos
de transferencia de
masa lamasa, la
longitudinal y la
laterallateral.
69. Transferencia de masa
longitudinal
• Esta ocurre tantoEsta ocurre tanto
en aceleración
como en frenadocomo en frenado.
• Depende de la
aceleración laaceleración, la
distancia entre ejes
y la altura dely la altura del
centro de gravedad
70. Transferencia de masa lateralTransferencia de masa lateral
• Se realiza por trenp
delantero/trasero
• Existen tres
mecanismosmecanismos
– De la masa no
suspendida
– A través de los
centros de alabeo
– A través de losA través de los
resortes y barras
estabilizadoras
71. Transferencia de masa no
suspendida
• La masa no suspendida es:
– Llanta
– Rin
– Discos
M– Manzanas
– Pta Manguetas Mordazas
– Mitad de las tijeras
– Mitad de amortiguador/– Mitad de amortiguador/
resorte / pushrod/ pullrod
• Es instantánea e
incontrolable
72. Transferencia de masa a través
del centro de alabeo
• Esta actúa sobre laEsta actúa sobre la
masa suspendida y
es diferentees diferente
adelante / atrás
• Es instantánea y• Es instantánea y
produce jacking
73. Transferencia de masa través
de resortes y barras
• Depende de laDepende de la
rigidez de los
resortes y lasresortes y las
barras, es
utilizando esta queutilizando esta que
se controla el
comportamientocomportamiento
del vehículo.
75. AmortiguadoresAmortiguadores
• Estos sirven para disipar
l í b bidla energía absorbida por
el resorte.
• Anteriormente consistían
en correas de cuero que
frotaban contra piezas
metálicas.
• Hoy consisten en
complicados sistemas
hidraulicos
76. La física de los amortiguadoresLa física de los amortiguadores
• El amortiguador
Alta velocidad
El amortiguador
digresivo, presenta
la siguiente curva
Baja velocidad
la siguiente curva
de fuerza vs-
velocidadvelocidad
77. La especificación de los
amortiguadores
• La especificaciónLa especificación
de los
amortiguadores seamortiguadores se
realiza utilizando la
amortiguaciónamortiguación
relativa.
80. Técnicas de construcción de
suspensión
• En el momento deEn el momento de
soldar los
componentes de lacomponentes de la
suspensión es
sumamentesumamente
importante
81. Manejo de las esferasManejo de las esferas
• Las esferas de laLas esferas de la
parte externa de
las tijeraslas tijeras,
idealmente deben
estar empotradasestar empotradas
para resistir mejor
a los esfuerzos dea los esfuerzos de
flexión
82. Ajuste de camberAjuste de camber
• Se recomiendaSe recomienda
que este se haga
en el lado internoen el lado interno
de las tijeras
mediante unmediante un
montaje del tipo
mostradomostrado
84. Introducción a la dinámica
vehicular
• “Aparte de las fuerzas )( αγFfF =p
aerodinámicos, las
llantas generan las
únicas fuerzas
),,( αγvertlat FfF =
únicas fuerzas
externas sobre el
vehiculo.”
• Suspensión debe ser
diseñada para
maximizar la tracciónmaximizar la tracción.
85. Slip angleSlip angle
• No es un derrape.p
• Es la diferencia
entre la dirección en
la que apunta el rinla que apunta el rin
y la que apunta el
parche de contacto.p
• Aumenta la tracción
al aumentar hasta
un punto donde seun punto donde se
cae.
86. Fuerza VerticalFuerza Vertical
• Como la fricción la
f jfuerza que ejerce
una llanta depende
de su fuerza vertical.
• Las características
visco elásticas del
caucho causan sin
embargo una
característica
llamada sensibilidad
a la carga.
87. Circulo de tracciónCirculo de tracción
• La máximaLa máxima
aceleración que
una llanta es capazp
de entregar es la
misma en todas las
di idirecciones.
• Se conoce como
i l d t iócirculo de tracción.
89. Derrotero de puesta a puntoDerrotero de puesta a punto
Como modificar el vehículo de
acuerdo a su comportamiento.
Tomado de “Engineer in your
pocket” de Caroll Smithpocket de Caroll Smith
90. Inestabilidad en la línea recta
(general)
• Divergencia en tren traseroDivergencia en tren trasero
– Debido a error de alineación
– Debido a bump steerDebido a bump steer
• Falta de apoyo aerodinámico trasero
• Exceso de convergencia o divergencia enExceso de convergencia o divergencia en
llantas
• Falla mecánica en elemento deFalla mecánica en elemento de
suspensión o chasis
91. Inestabilidad en la línea recta
(en la aceleracion)
• Fallas en diferencialFallas en diferencial
• Falta de convergencia trasera
D fl ió l t d• Deflexión en elementos de
chasis/suspension
• Diferentes radios de llantas
• Pesos diferentes a ambos lados
92. Inestabilidad en la línea recta
i f i d iimperfecciones de pista
• Exceso de AckermanExceso de Ackerman
• Exceso de convergencia/divergencia
C t dif t b l d• Caster diferente en ambos lados
• Ajuste asimétrico de amortiguadores
• Pesos asimétricos
• Mucha resistencia al alabeo adelanteMucha resistencia al alabeo adelante
93. Inestabilidad en el frenadoInestabilidad en el frenado
• Tren delantero derrapap
– Exceso de frenado en el tren delantero
– Exceso de fuerza de extensión en
amortiguadores delanterosamortiguadores delanteros.
• Tren trasero derrapa
– Exceso de frenado atrás
– Falta de recorrido en extensión tren trasero
– Pesos descompensados
E d f d t ió– Exceso de fuerza de extensión en
amortiguadores trasero.
94. Vehículo pesado y falto de
respuesta
• Presiones de llantas demasiado bajasPresiones de llantas demasiado bajas
• Resortes y barras muy blandos
E d f di á i (• Exceso de fuerza aerodinámica (poco
resorte)
• Si la aceleración a alta velocidad es lenta,
el problema puede ser un exceso de
alerón trasero.
95. Vehículo responde muy
á id d fá ilrápidamente y derrapa fácilmente
• Exceso de presión de llantasExceso de presión de llantas
• Exceso de fuerza de compresión en
amortiguadoresg
• Carro muy rígido para un piloto sin
experiencia
• Demasiada resistencia al alabeo
• Exceso de convergencia
• Falta de fuerza aerodinamica
96. Subviraje a la entrada de la
curva “voltea bien y se va”
• Exceso de convergencia/divergenciaExceso de convergencia/divergencia
adelante
• Recorrido de extensión delantero insuficienteRecorrido de extensión delantero insuficiente
• Falta de fuerza de compresión en el
amortiguadoramortiguador
• Falta de resistencia al alabeo adelante
P i ió d t d l b i d d• Posición de centros de alabeo inadecuada.
97. Subviraje a la entrada de la
curva “carro no voltea”
• Piloto frena muy tarde
• Trocha delantera muy angosta
• Exceso de presión en llantas delanteras
• Exceso de resistencia al alabeo delantera
• Falta de fuerza aerodinámica adelante
• Falta de divergencia adelante
• Falta de ackerman
• Centro de alabeo delantero demasiado alto o demasiado bajo
• Falta de fuerza de compresión en amortiguador delantero
• Camber positivo dinamico en llanta externap
98. Subviraje en la mitad de la
curva
• Exceso de presion en llantas delanterasExceso de presion en llantas delanteras
• Exceso de resistencia al alabeo
E d k• Exceso de ackerman
• Falta de camber dinámico adelante
• Falta de trocha delantera
• Falta de recorrido de suspensiónFalta de recorrido de suspensión
99. Subviraje a la salida de la cuvaSubviraje a la salida de la cuva
• Curvas lentasCurvas lentas
– Aceleración muy rápida por parte del piloto
Prolongación del caso pasado– Prolongación del caso pasado
• Curvas rapidas
– Falta de apoyo aerodinámico delantero
– Trocha muy angosta
101. Sobreviraje a la entrada de la
curva
• Balance de frenos inclinado hacia atrásBalance de frenos inclinado hacia atrás
• Resistencia al alabeo trasera muy alta
F i t lt• Frecuencia trasera muy alta
• Centro de alabeo trasero muy alto
• Falta de apoyo aerodinámico trasero
• Daño en amortiguador traseroDaño en amortiguador trasero
• Daño en barra estabilizadora delantera
102. Sobreviraje en el medio de la
curva
• Exceso de presión de llantas traseraExceso de presión de llantas trasera
• Exceso de resistencia al alabeo trasera
S ió t t ll d l t• Suspensión trasera esta llegando al tope
• Barra estabilizadora trasera suelta
103. Sobreviraje a la salida de la
curva
• Problemas en el diferencialProblemas en el diferencial
• Exceso de geometria anti-sentado
• Exceso de resistencia al alabeo traseraExceso de resistencia al alabeo trasera
• El carro se cae sobre la rueda trasera
externa
• Exceso de camber negativo trasero
• Falta de convergencia trasera dinamicaFalta de convergencia trasera dinamica
• Falta de apoyo aerodinamico
