Cómo funcionan las suspensiones de los 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 coche. Por eso, los ingenieros automovilísticos se centraron en el sistema de suspensión casi tan pronto como dominaron el motor de combustión interna de cuatro tiempos.

La función de la suspensión de un automóvil es maximizar la fricción entre los neumáticos y la superficie de la carretera, proporcionar estabilidad de 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 magnitud y dirección. Un bache en la carretera hace que la rueda se mueva hacia arriba y hacia abajo perpendicularmente a la superficie de la carretera. La magnitud, por supuesto, depende de si la rueda golpea un bulto gigante o una mota diminuta. De cualquier manera, la rueda del automóvil experimenta una aceleración vertical al pasar 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, los neumáticos pueden volver a golpear la superficie de la carretera. Lo que necesita es un sistema que absorba la energía de la rueda acelerada verticalmente, permitiendo que el bastidor y la carrocería se muevan sin molestias mientras los neumáticos siguen los baches del camino.

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 poder apreciar por qué es necesaria una suspensión en primer lugar. La mayoría de los ingenieros automotrices 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, agarre en la carretera y toma de 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 distintos componentes, ofrece todas las soluciones descritas.

Veamos las partes de una suspensión típica, desde el panorama más amplio 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 tanto, la suspensión es sólo uno de los sistemas principales de cualquier vehículo.

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Con esta visión general en mente, es hora de observar 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, los ingenieros a menudo encuentran conveniente hablar de la masa suspendida y la masa no suspendida.

La masa suspendida es la masa del vehículo apoyado sobre los resortes, mientras que la masa no suspendida se define vagamente como la masa entre la carretera y los resortes de la suspensión. La rigidez de los resortes afecta la respuesta de la masa suspendida mientras se conduce el automóvil. Los automóviles con suspensión suelta, como los de lujo (piense en el Mercedes-Benz Clase C), pueden absorber los golpes y proporcionar una conducción súper suave; sin embargo, un automóvil de este tipo es propenso a hundirse y agacharse durante el frenado y la aceleración y tiende a experimentar balanceo o balanceo de la carrocería durante las curvas. Los autos con amortiguadores rígidos, como los autos deportivos (piense en el Mazda Miata MX-5), son menos indulgentes en caminos llenos de baches, pero minimizan bien el movimiento de la carrocería, lo que significa que pueden conducirse agresivamente, incluso en las curvas.

Entonces, si bien los resortes por sí solos 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 ello se requieren otras estructuras, conocidas como amortiguadores.

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A menos que haya una estructura amortiguadora, el resorte de un automóvil se extenderá y liberará la energía que absorbe de un golpe a un ritmo incontrolado. El resorte continuará rebotando a su frecuencia natural hasta que se agote toda la energía originalmente puesta en él. Una suspensión construida únicamente con resortes daría lugar a una conducción extremadamente elástica y, dependiendo del terreno, un coche incontrolable.

Ingrese al amortiguador, o amortiguador, un dispositivo que controla el movimiento no deseado del resorte 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 puede disiparse a través del fluido hidráulico. Para entender cómo funciona esto, lo mejor es mirar el interior de un amortiguador para ver su estructura y función.

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Un amortiguador es básicamente una bomba de aceite colocada entre el bastidor del automóvil 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 soporte superior está conectado a un vástago de pistón, que a su vez está conectado 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 la carretera y hace que el resorte se enrolle y desenrolle, la energía del resorte se transfiere al amortiguador a través del soporte superior, hacia abajo a través del vástago del pistón y hacia el 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, sólo pasa una pequeña cantidad de líquido, bajo gran presión. Esto desacelera el pistón, que a su vez desacelera 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 camioneta típico tendrá más resistencia durante su ciclo de extensión que durante su ciclo de compresión. Teniendo esto en cuenta, 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 el rebote, el balanceo, el frenado en picado y la 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 funciones: proporcionan una función de amortiguación como los amortiguadores y brindan soporte estructural para la suspensión del vehículo. Eso significa que los puntales ofrecen un poco más que los amortiguadores, que no soportan el peso del vehículo: sólo controlan la velocidad a la que se transfiere el peso en un automóvil, no el peso en sí.

Debido a que los amortiguadores y struts tienen tanto 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 agarrarse 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 darle estabilidad adicional a un automóvil en movimiento. Una barra estabilizadora es una varilla 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 la suspensión del vehículo al tomar una curva. Por este motivo, casi todos los coches actuales vienen equipados de serie con barras estabilizadoras, aunque si no es así, existen kits que facilitan su instalación en cualquier momento.

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Hasta ahora, nuestras discusiones se han centrado en cómo funcionan los resortes y amortiguadores en una rueda determinada. Pero las cuatro ruedas de un automóvil trabajan 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. La primera disposición se conoce como sistema dependiente, mientras que la última disposición se conoce como sistema independiente. En las siguientes secciones, veremos algunos de los tipos comunes de suspensiones delanteras y traseras que normalmente se usan en los automóviles convencionales.

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Las suspensiones delanteras dependientes tienen un eje delantero rígido que conecta las ruedas delanteras. Básicamente, parece una barra sólida debajo de la parte delantera del automóvil, mantenida en su lugar mediante ballestas y amortiguadores. Las suspensiones delanteras dependientes, 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 utilizar para vehículos con tracción delantera.

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

Si bien existen varias configuraciones posibles diferentes, este diseño generalmente utiliza dos brazos en forma de horquilla para ubicar la rueda. Cada horquilla, que tiene dos posiciones de montaje en el cuadro 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 y proporcionan 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 macizo conecta las ruedas traseras de un automóvil, entonces la suspensión suele ser bastante simple: basada en una ballesta o en un resorte helicoidal. En el diseño anterior, las ballestas se sujetan directamente al eje motriz. Los extremos de las ballestas se fijan directamente al marco y el amortiguador se fija a la abrazadera que sujeta el resorte al eje. Durante muchos años, los fabricantes de automóviles estadounidenses prefirieron este diseño por su sencillez.

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 tanto la suspensión delantera como la trasera son independientes, entonces todas las ruedas se montan y se suspenden 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 utilizar en la parte delantera del coche se puede utilizar en la parte trasera, y en los ejes traseros se pueden encontrar versiones de los sistemas delanteros independientes descritos en el apartado anterior. Por supuesto, en la parte trasera del automóvil, no existe la cremallera de dirección, el conjunto que incluye el piñón y permite que las ruedas giren de un lado a otro. 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 coches especiales.

Los carros 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 sujetas a cuatro postes de un chasis que parecía una mesa volcada. Debido a que la carrocería estaba suspendida del chasis, el sistema pasó a ser conocido como "suspensión", un término que todavía se utiliza hoy en día para describir toda la clase de soluciones. La suspensión de carrocería suspendida no era un verdadero sistema de resorte, pero permitía que la carrocería y las ruedas del carro se movieran de forma independiente. Los diseños de resortes semielípticos, también conocidos como resortes de carro, reemplazaron rápidamente a la suspensión con correa de cuero. Populares en vagones, buggies y carruajes, los resortes semielípticos se usaban a menudo tanto en el eje delantero como en el trasero. Sin embargo, tendían a permitir un 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 resortes 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 principales automóviles con tracción delantera y trasera: automóviles que circulan por carreteras normales en condiciones normales de conducción. Pero ¿qué pasa con las suspensiones de los coches especiales, como los hot rods, los de carreras o los vehículos todoterreno extremos? Aunque las suspensiones de los automóviles especiales obedecen a los mismos principios básicos, brindan beneficios adicionales exclusivos de las condiciones de conducción en las que deben navegar. Lo que sigue es una breve descripción general de cómo se diseñan las suspensiones para tres tipos de autos especiales: Baja Bugs, corredores 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 condiciones todoterreno tan bien como algunos vehículos con tracción en las cuatro ruedas. Por supuesto, el VW Bug no está preparado para condiciones todoterreno con su equipamiento de fábrica. La mayoría de los Bugs requieren algunas modificaciones o conversiones para prepararlos para competir en condiciones duras 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 elevar para dejar espacio para ruedas y neumáticos todoterreno de alta resistencia. Los amortiguadores más largos reemplazan a los amortiguadores estándar para elevar la carrocería y proporcionar el máximo recorrido de las ruedas. En algunos casos, los convertidores Baja Bug eliminan las barras de torsión por completo y las reemplazan con múltiples sistemas helicoidales, un artículo de posventa que combina el resorte y el amortiguador en una unidad ajustable. El resultado de estas modificaciones es un vehículo que permite que las ruedas se desplacen verticalmente 20 pulgadas (50 centímetros) o más en cada extremo. Un coche de este tipo puede circular fácilmente por terrenos accidentados y, a menudo, parece "saltar" sobre una 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 la evolución del automóvil. Las carrocerías ligeras y compuestas, 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 factor diferenciador clave en una carrera, reglas y requisitos estrictos rigen el diseño de los autos de carreras de Fórmula Uno. Por ejemplo, las reglas que regulan el diseño de la suspensión dicen que todos los corredores de Fórmula Uno deben tener suspensión convencional, pero no permiten suspensiones activas controladas por computadora. Para adaptarse a esto, los coches cuentan con suspensiones multibrazo, 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 una en el cubo de la rueda) y cada articulación tiene bisagras para guiar el movimiento de la rueda. En todos los coches, 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 levantarse, agacharse y descender.

Sin embargo, a diferencia de los autos de calle, los amortiguadores y 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 al movimiento de vaivén del aparato de resorte y amortiguador.

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La era del hot rod clásico estadounidense duró desde 1945 hasta aproximadamente 1965. Al igual que los Baja Bugs, los hot rods clásicos requirieron 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 material ideal para las transformaciones de hot rod porque sus carrocerías y bastidores a menudo estaban en buenas condiciones. , mientras que sus motores y transmisiones debían 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 en U resorte de buggy con forma (resorte de láminas) y una varilla radial en forma de horquilla con una bola en el extremo trasero que giraba en una copa unida a la transmisión.

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Los ingenieros de Ford construyeron el Modelo T para que se desplazara alto con una gran cantidad de movimiento de suspensión, un diseño ideal para las carreteras primitivas y accidentadas 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 "espoleta dividida" bajó el eje delantero aproximadamente 1 pulgada (2,5 centímetros) y mejoró el manejo del vehículo.

Bajar el eje más de una pulgada requirió 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 abatidos que bajaban el automóvil 13 centímetros (5 pulgadas). Los ejes tubulares se construyeron con tubos de acero lisos y una resistencia equilibrada con una aerodinámica excelente. La superficie de acero también aceptaba mejor el cromado que los ejes con vigas en I forjadas, por lo que los hot rodders a menudo también los preferían por sus cualidades estéticas.

Algunos entusiastas del hot rod, sin embargo, argumentaron que la rigidez y la incapacidad de flexionar del eje tubular comprometían la forma en que manejaba las tensiones de la conducción. Para adaptarse a 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, los extremos de las varillas estilo avión proporcionaban 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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