Generalidades
Desde un punto de vista técnico la suspensión debe cumplir al menos las siguientes funciones:
- Asegurar el contacto permanente entre las ruedas y el suelo por el que se circula.
- Evitar los balanceos y oscilaciones que se producen por la marcha del vehículo para aumentar el confort de los pasajeros.
Podemos distinguir como mínimo dos partes en los sistemas de suspensión:
- El sistema de suspensión propiamente dicho, en que se incluyen los muelles sobre los que se asienta la parte suspendida del vehículo (pueden presentarse en forma de muelles helicoidales, ballestas, barras de torsión, balonas neumáticas, etc.)
- El sistema de amortiguación de oscilaciones, que se encarga de frenar las oscilaciones producidas por las circunstancias de la marcha (amortiguadores)
- Se puede incluir otro tercer elemento que está fomado por la barra estabilizadora y que cumple una función antibalanceo.
Dinámica de la suspensión
Eje de balanceo y centro de gravedad
Cuando un vehículo toma una curva se puede apreciar fácilmente que se balancea; este balanceo se realiza alrededor de un punto o de un eje imaginario que conforma el centro de balanceo y que viene determinado por el diseño de la suspensión.
El eje de balanceo en los vehículos es la línea imaginaria que une dos puntos que se encuentran aproximadamente en los centros de los ejes de las ruedas delanteras y traseras.
Los centros de balanceo se encontraría localizados en el plano verical que pasa por el centro de los ejes delantero y trasero; en la parte trasera se encuentra un poco más elevado que en la delantera; es decir, el eje de balanceo está inclinado descendentemente desde la parte trasera del vehículo con respecto a la delantera y pasa por debajo del eje de gravedad.
Desde el punto de vista del movimiento (cinemática del vehículo) el eje de balanceo y el centro de gravedad se encuentran unidos firmemente entre sí, lo que provoca que cualquier fuerza transversal que se aplique sobre el centro de gravedad tendrá como resultado un movimiento de giro de la carrocería alrededor del eje de balanceo.
Para nuestro estudio vamos a considerar que los ejes de balanceo permanecen fijos en el vehículo cualquiera que sea la posición relativa de la carrocería, aunque en realidad el eje de balanceo modifica constantemente su posición sobre la marcha; cada desplazamiento de la carrocería hace que se desplace el centro de gravedad y el eje de balanceo.
Dinámica en curva
Cuando se toma una curva la fuerza centrífuga desplaza el centro de gravedad del vehículo; la carrocería gira alrededor del eje de balanceo; este giro es debido al momento (par de giro) que se produce entre el punto de aplicación de la fuerza (centro de gravedad) y la distancia desde el centro de gravedad al eje de balanceo. El resultado de este momento de fuerza es que los muelles de suspensión del lado exterior se comprimen y los del lado interior de se expanden. Si hay barra de torsión o barra estabilizadora, esta se retorcerá.
Al mismo tiempo, la fuerza que soportan las ruedas exteriores crece debido al desplazamiento del peso del vehículo y la de las ruedas interiores disminuye por el mismo motivo.
El ángulo de balanceo será mayor cuanto mayor sea la fuerza que desplaza el centro de gravedad y cuanto menor rigidez tengan los elementos de la suspensión.
Lo que ha ocurrido se explica por medio de la tercera ley de Newton que dice que a cualquier fuerza que se aplique a un cuerpo se corresponde otra de igual magnitud e intensidad pero en sentido contrario. Es lo que explica que la carrocería vuelva a su posición cuando dejamos de aplicar la fuerza que la inclínó y lo que explica las oscilaciones que se producen hasta alcanzar de nuevo el punto de equilibrio.
Modificando el centro de gravedad (altura) podemos conseguir aumentar o disminuir el momento de giro; un caso mayoritario en automoción es el que hemos descrito, pero puede darse el caso de que el centro de gravedad se encuentre a la altura del eje de balanceo, con lo que se evitaría el giro de la carrocería y se provocaría fácilmente el derrapaje del vehiculo para eliminar la energía cinética almacenada (caso de los kart); otro caso posible sería colocar el centro de gravedad por debajo del eje de balanceo con lo que se conseguiría el efecto contrario de giro que en el primer caso.
Todos estos aspectos son de carácter fijo, es decir, no podemos hacer nada para evitar los esfuerzos a los que se someten los elementos de la suspensión ni sobre las magnitudes de los momentos y fuerzas aplicadas; lo único sería aumentar la superficie de sustentación aumentando el ancho de vía del vehículo para bajar un poco el centro de gravedad.
Donde si podremos trabajar es en el reparto de esfuerzos en cada uno de los ejes a través de los muelles y las estabilizadoras, modificando la altura de los centros de balanceo. La rigidez de los muelles y estabilizadores determina la resistencia al balanceo en los ejes en los que van instalados; si ponemos elementos rígidos se aumenta la resistencia al balanceo.
Consideramos el vehículo de la figura; está tomando una curva que hace que se compriman los muelles del lado derecho y que se deformen las estabilizadoras delanteras y traseras; el grado de deformación depende de la dureza; al mismo tiempo vemos como se genera una fuerza de reacción de una magnitud concreta en las ruedas de la derecha de la figura.
Si cambiáramos los elementos de la suspensión por otros más rígidos y aplicásemos la misma fuerza sobre el centro de gravedad (que se encuentra a la misma altura) el resultado sería una menor inclinación (menor ángulo de balanceo) debido a que los muelles y estabilizadoras presentan una mayor resistencia a la deformación. Si hemos sustituido los muelles y estabilizadora en los dos ejes el resultado será el mismo que en el primer caso pero con un descenso de momento de giro proporcional al aumento de rigidez de los elementos.
Si solamente cambiásemos los componentes del eje delantero por otros más rígidos y dejásemos los del trasero, la deformación en los elementos de suspensión traseros sería mayor que en el primer caso provocando un desplazamiento vertical debido a las fuerzas generadas que podrían provocar adherencia al suelo en el eje trasero e incrementado la adherencia en el eje delantero (se produce lo que se llama sobreviraje.
Para evitar el sobreviraje se coloca una estabilizadora trasera mucho más flexible que la delantera; antiguamente no se colocaba estabilizadora trasera.
Otra opción es bajar la posición relativa de los centros de balanceo (no se suele aplicar a los turismos ordinarios); esto se puede producir cuando colocamos unos muelles más cortos y rígidos. Si rebajamos la altura de uno de los centros aumentará la adherencia de ese eje con respecto al contrario.
Transferencia de carga
Para describir lo que es la transferencia de carga tenemos que imaginar un vehículo que realiza un movimiento; en este movimiento aparecen las fuerzas que se transmiten por toda la carrocería, realizando una transferencia de las cargas a los ejes en una u otra magnitud.
Aquí hay que decir que existen tres ejes imaginarios sobre los que pivota el vehículo:
Eje longitudinalEje transversalEje vertical