Introducción a la suspensión: desde muelles y amortiguadores hasta geometría y control activo.

0. Lo que explica este artículo

• Qué gestionan los muelles y amortiguadores, y cómo los describe el modelo de un cuarto de coche.

• Por qué la comodidad de marcha y la estabilidad de la conducción se contraponen, y cómo se elige la rigidez.

• Las diferencias estructurales y las ventajas de las suspensiones MacPherson, de doble horquilla y multibrazo.

• El estado actual de la amortiguación activa/adaptativa, con MagneRide, ZF CDC y Porsche Active Ride.

• La relación entre la transferencia de peso durante el frenado (inclinación del morro) y la suspensión.

1. En resumen: ¿qué es la suspensión?

La suspensión es el mecanismo que mantiene el neumático presionado contra la superficie de la carretera, a la vez que amortigua los impactos transmitidos de la carretera a la carrocería. El muelle soporta el peso de la carrocería y almacena temporalmente la energía del movimiento vertical, mientras que el amortiguador disipa esa oscilación en forma de calor para que se estabilice. La geometría (disposición de los brazos de suspensión) determina la trayectoria del ángulo y la posición del neumático, controlando así los cambios en la actitud del vehículo durante las curvas y la aceleración/frenado. En los últimos años, se ha incorporado el control electrónico, y cada vez son más comunes los sistemas que varían activamente la fuerza de amortiguación o la altura de la carrocería en función de la situación.

2. Muelle y amortiguador: el modelo de cuarto de coche

Figura 1 — Modelo de cuarto de vehículo (un modelo equivalente para una rueda). La entrada de la carretera pasa a través de la rigidez del neumático k_t a la masa no suspendida m_u, luego a través del resorte k_s y el amortiguador c a la masa suspendida m_s.

Las ecuaciones de movimiento para el modelo de cuarto de vehículo más simple con dos grados de libertad se pueden escribir como:

Aproximando la masa suspendida como un solo grado de libertad, la frecuencia natural y el coeficiente de amortiguamiento se pueden escribir como:

Con \zeta<1 (subamortiguado) oscila al converger; con \zeta=1 (críticamente amortiguado) converge en el menor tiempo posible sin oscilar; y Con \zeta>1 (sobreamortiguado), la convergencia es más lenta. La masa suspendida de un automóvil generalmente se encuentra en la región de subamortiguación, y \zeta suele ajustarse entre 0,2 y 0,4 para equilibrar la comodidad de la marcha con la rapidez con la que se estabiliza. El lado no suspendido está dominado por la rigidez del neumático k_t y resuena a una frecuencia mucho mayor que el lado suspendido, lo que genera una división del trabajo donde la masa del neumático y del tren de rodaje absorbe las pequeñas irregularidades de la carretera, mientras que el muelle y el amortiguador gestionan las entradas más grandes, como las ondulaciones.

3. El equilibrio entre comodidad de marcha y estabilidad de manejo

4. Tipos de suspensión: Diferencias en la geometría

5. Amortiguación activa y adaptativa

Las características fijas del resorte/amortiguador no pueden escapar a la desventaja del punto 4, pero el control electrónico que las modifica durante la conducción se ha generalizado.

La amortiguación adaptativa cambia únicamente la característica de amortiguación del amortiguador en tiempo real. El sistema Magnetic Ride Control (MagneRide) de GM llena el amortiguador con un fluido magnético (magnetorreológico) y varía su viscosidad con la corriente que pasa a través de una bobina, modificando así la amortiguación. La fuerza de amortiguación sin válvula mecánica, una marca del desarrollador Delphi, se dice que apareció por primera vez en el Cadillac Seville STS de 2002. El Control Continuo de Amortiguación (CDC) de ZF calcula una fuerza de amortiguación objetivo a partir de los datos de los sensores de cada rueda y, según la documentación oficial, puede ajustarla hasta 100 veces por segundo.

La suspensión activa va más allá, generando activamente la propia inclinación de la carrocería, no solo la del amortiguador. Se dice que el Control Activo de la Carrocería (ABC) de Mercedes-Benz se instaló en la Clase CL en el Salón del Automóvil de Ginebra de 1999 como un sistema que controla activamente la inclinación de la carrocería mediante hidráulica, y su sucesor, el Control Activo de la Carrocería (E-Active Body Control), utiliza una fuente de alimentación de 48 V para controlar individualmente cada rueda. Según el manual oficial, funciona con una función de escaneo de la superficie de la carretera que lee la carretera por delante para evitar cambios de inclinación. El sistema Porsche Active Ride de Porsche equipa cada amortiguador con su propia bomba electrohidráulica, que se alimenta directamente de la batería de alto voltaje del vehículo para generar de forma independiente la fuerza de amortiguación. Fuerza de rebote y compresión, y según la documentación oficial, responde hasta a 13 Hz.

Como tecnología con raíces en el automovilismo, encontramos el amortiguador DSSV (Dynamic Suspensions Spool Valve) de Multimatic. El uso de una válvula de carrete en lugar de una válvula de láminas permite ajustar de forma independiente las características de rebote y compresión a baja y alta velocidad, con menor variación entre unidades. Según la compañía, su origen se remonta a su introducción en la Fórmula 1 en 2002. Una publicación oficial en el blog de Chevrolet describe la tecnología DSSV como implementada en vehículos de producción, incluido el Corvette.

6. Relación con el frenado y la dinámica del vehículo

Durante el frenado o la aceleración, la carrocería experimenta una transferencia de peso longitudinal. Tomando la altura del centro de gravedad como h, la distancia entre ejes como L, la masa como m y la aceleración longitudinal como a_x, la transferencia de peso entre los ejes delantero y trasero se puede aproximar como:

Durante una frenada brusca, el peso se desplaza hacia las ruedas delanteras (inclinación del morro), y el muelle delantero se comprime mientras que el trasero tiende a elevarse. Durante la aceleración, ocurre lo contrario: el trasero se comprime, lo que se denomina hundimiento. De forma similar, la transferencia de peso lateral durante las curvas, considerando el ancho de vía como t y la aceleración lateral como a_y, se puede aproximar como:

Cuanto mayor sea esta transferencia de peso lateral, mayor será la carga que se acumula en el neumático exterior mientras que la carga disminuye en el neumático interior, y el agarre total en los cuatro neumáticos tiende a disminuir. En configuraciones de doble horquilla y multibrazo, los ángulos de montaje de los brazos a veces se diseñan para resistir la inclinación del morro durante la frenada o el hundimiento del trasero durante la aceleración (geometría "anti-inclinación" y "anti-hundimiento"), otra área donde la La libertad en la disposición de los enlaces descrita en la Sección 4 entra en juego. Para el mecanismo de frenado (circuito hidráulico, ABS/ESC, frenado regenerativo combinado), consulte la Introducción a los sistemas de frenado. Además, dado que el peso de la batería aumenta la masa suspendida en un vehículo eléctrico, mientras que la disposición de los motores en las ruedas aumenta la masa no suspendida, el diseño de m_s y m_u en el modelo de un cuarto de vehículo de la Sección 2 también varía según la disposición del tren motriz. Consulte también la Introducción al tren motriz de vehículos eléctricos para la distribución del peso en vehículos eléctricos.

7. Comparación de configuraciones

Amortiguador derivado de la competición | Ajuste preciso de la fuerza de amortiguación | La válvula de carrete ajusta la extensión/compresión y la velocidad baja/alta de forma independiente | Multimatic DSSV | Principalmente en versiones de producción de alto rendimiento |

8. Condiciones difíciles y seguridad

Si un amortiguador se degrada y comienza a tener fugas de aceite o a perder fuerza de amortiguación, el resorte es el único responsable de controlar la oscilación, lo que ralentiza su estabilización y empeora la estabilidad en carretera y en la zona de contacto con el suelo durante el frenado. El desgaste de los bujes o las rótulas afecta la precisión del posicionamiento del brazo, provocando inestabilidad en línea recta, ruido y desgaste irregular de los neumáticos. El efecto de dirección por baches (un tirón momentáneo en el volante al pasar por un bache) puede deberse al ángulo de montaje y al rango de movimiento de los brazos de suspensión, o a la holgura causada por el desgaste. Cuando un impacto fuerte lleva la suspensión hasta su límite mecánico de recorrido (el tope), cualquier impacto adicional es absorbido por la propia carrocería. Si la altura de la carrocería o el tamaño de los neumáticos cambian significativamente con respecto a la configuración de fábrica, es necesario revisar el recorrido y la holgura. Al realizar el mantenimiento, es fundamental no trabajar con la carga aún aplicada al muelle, utilizar herramientas específicas como un compresor de muelles y seguir los procedimientos del manual de servicio, así como el equipo de protección necesario para el cableado hidráulico de alta tensión y alta presión de la suspensión activa o los amortiguadores adaptativos eléctricos.

9. Opciones prácticas

• Conducción diaria, principalmente en ciudad: una configuración más suave y orientada al confort, o una con amortiguación adaptativa, para lograr un equilibrio entre ambas.

• Conducción deportiva, carreteras de montaña: considere una geometría de gran libertad, como una suspensión de doble horquilla, combinada con un amortiguador más rígido o variable.

• Carreteras irregulares, cargas muy variables: una suspensión activa neumática/hidráulica que pueda ajustar la altura de la carrocería y las características de amortiguación según la carga y la superficie de la carretera suele ser más ventajosa.

• Sustitución de amortiguadores o ajuste de la altura de la carrocería en un vehículo existente: si se modifican significativamente las características con respecto a la configuración de fábrica, considere el recorrido, la holgura con respecto al tope de suspensión y los cambios en la geometría. (camber, convergencia) juntas.

10. Resumen (tres líneas para repasar)

La suspensión es un mecanismo donde el muelle soporta la carga y el amortiguador disipa la vibración en forma de calor para estabilizarla. Los diagramas \omega_n y \zeta del modelo de un cuarto de vehículo describen su comportamiento a grandes rasgos.

Las suspensiones MacPherson, de doble horquilla y multibrazo difieren en la libertad de movimiento de sus brazos, lo que modifica hasta qué punto se puede llevar al límite el equilibrio entre confort de marcha y estabilidad de manejo.

El control adaptativo/activo, como MagneRide y Porsche Active Ride, es una tecnología que modifica este equilibrio en función de las condiciones de conducción y está estrechamente relacionada con la transferencia de peso durante el frenado y la aceleración.