comportamiento dinámico del automóvil

7/31/2019 Comportamiento dinmico del automvil

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COMPORTAMIENTO DINAMICO DEL AUTOMOVIL

La mayor evolucin que ha habido en el automvil en los ltimos 20 aos hasido la mejora en seguridad. Esta puede ser activa, que nos evita el accidente yla pasiva tendente a minimizar los daos una vez que el accidente ha ocurrido.

La seguridad activa debe mucho a las enseanzas de las diferentescompeticiones automovilsticas donde tiene gran importancia elcomportamiento dinmico del vehculo.Basndonos en las tcnicas usadas en competicin vamos a ver de la formams simple posible como se comporta en movimiento un automvil, suestabilidad, frenada, las diferentes leyes que influyen, etc.La mayora de explicaciones estn extradas de los libros "La suspensinautomviles de competicin" de Orlando Ros y "Competition car suspension"de Allan Astanifort

El neumtico es el elemento ms importante, es el elemento que une el suelo

con el coche, pero para que trabaje en las mejores condiciones lassuspensiones tienen que hacer un buen trabajo adaptndose a las variacionesdinmicas del coche (aceleracin, frenada, giros, viento, etc) en funcn de loscentros de gravedad, balanceo, aerodinmica, etc.

ADHERENCIA

Un coche debe ser capaz de acelerar, frenar, cambiar rpidamente dedireccin, virar perdiendo la menor velocidad posible, para transmitir o resistircontra el suelo todas las fuerzas que actan sobre el depende de laadhrencia.Podemos entender la adherencia con un ejemplo:Si movemos una goma de borrar con una pequea presin sobre una superficierugosa vemos que tiene una ligera resistenciaSi movemos la misma goma sobre un cristal o superficie deslizantemanteniendo la misma presin vemos que la resistencia disminuyeSi la movemos sobre la misma superficie aplicando una fuerza varias vecesmayor vemos que la resistencia aumentaPodemos deducir dos conclusiones

- La textura sobre la que apoya la goma influye en la resistencia- La presin que hacemos sobre la goma influye en la resistencia


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Si esta misma goma la frotamos con la misma presin sobre una superficie decristal veremos que la resistencia se reduce mucho.Si aumentamos la presin 5 o 6 veces sobre la misma goma y hacemos lamisma fuerza lateral veremos que la resistencia aumenta mucho.De aqu deducimos dos conclusiones.

- La textura de la superficie sobre la que apoya la goma influye en suresistencia al deslizamiento o en su agarre- La presin ejercida sobre la goma aumenta su resistencia

Ahora vamos a coger una goma ms dura y haciendo el mismo ejercicioobservaremos que se desliza con mayor facilidad que la blanda, si queremosque agarre tenemos que hacer ms presin, aqu sacamos otra conclusin.- La dureza de la goma influye en su agarre, la goma ms blanda penetra

ms en la superficie rugosa que la dura.

COEFICIENTE DE FRICCION

Un tipo determinado de goma bajo presin sobre un determinado tipo depavimento tiene una resistencia intrnsecaque se llama coeficiente de friccin o rozamiento.Este coeficiente es un una cualidad propia de la adherencia que existe en esemomento entre ambos elementos.- La adherencia es (A) es directamente proporcional al peso incidente(P) y al coeficiente de friccin (cf) ver figura.

Con los neumticos sucede algo especial, porque al ser elsticos puedenejercer fuerzas en cualquier sentido superiores a la carga vertical aplicadasobre l, la relacin entre la fuerza ejercida y la fuerza aplicada (carga verticalque equivale a la suma del peso ms la carga aerodinmica) nos d un nmeroque es el coeficiente de friccin.Por ejemplo, si un neumtico tiene aplicada sobre l una fuerza de de 300 kg y200 kg en sentido lateral (por estar en curva) el coeficiente de friccin es de1,5 (300/200)Es por tanto importante tener en cuenta que un mayor valor de adherenciapermite acelerar ms, frenar mejor, cambiar de direccin ms rpidamente y

virar a mayor velocidad.Como vimos en el ejemplo de la goma


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- Un neumtico ms blando tendr un coeficiente de friccin superior auno ms duroPero hay otros factores que intervienen en el coeficiente de friccion delneumtico como veremos ahora

Coeficientes de friccin en neumticos de turismo segn la superficie

- Alquitrn seco = 0'9- Asfalto rugoso seco = 0'8- Adoquines = 0'6- Asfalto rugoso hmedo = 0'5- Asfalto gastado hmedo = 0'4- Adoquines hmedos = 0'3- Hielo = 0'1

NEUMATICOS

Todo gira alrededor del neumtico, como hemos visto la forma de acelerar,frenar, cambiar de direccin y mayor velocidad en curva dependen de unamayor adherencia del neumtico y todo el trabajo de las suspensiones y chasisest encaminado a conseguir el mximo agarre en todas circunstancias, poreso es tan importante que todos los clculos se hagan en funcin delneumtico que se monte. En competicin donde a veces los reglamentosimponen los neumticos se estudia el coche a partir del neumtico, en cochesde calle o competicin a partir de coches de serie escoger el neumtico msadecuado al diseo dinmico del vehculo

ANGULO DE DERIVA

Todos hemos visto que en curvas muy cerradas las direccin muy girada peroel coche no sigue exactamente la trayectoria deseada sino que se abre algoms y vemos el neumtico se flexiona en sentido lateral.

- El ngulo de deriva es la desviacin entre la trayectoria real y laindicada por el plano de la llanta

Este ngulo es independiente del ngulo con que se gira la direccin, lasruedas traseras tambin tienen deriva, esta se crea cuando hay una fuerzalateral, por ejemplo viento lateral.

- El ngulo de deriva influye sobre el coeficiente de friccin y por tantosobre la adherencia.

Cada neumtico en funcin de sus caractersticas constructivas tiene su propiongulo de deriva, los neumticos de competicin tienen mayor agarre a menorngulo de deriva que los de serie como se puede ver en el dibujo de laderecha, tambin se puede observar que la cada es ms brusca y por tanto la

prdida de adherencia ms brusca, en general los perfiles ms bajos tendrnmenor deriva.


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- Los neumticos con ms deriva son ms progresivos y avisan de queel coche se v, los de competicin o muy deportivos tienen una prdida

de adherencia ms brusca siendo menos controlables en este caso.

CAIDA DE PERNO

La mejor forma de conseguir la mxima adherencia es hacer que en cadasituacin el neumtico pise en las mejores condiciones posibles (generalmenteperpendicular al suelo) pero con las variaciones dinmicas que se producenesto no siempre es posible, por eso a los neumticos a travs de la suspensinse les d unos ngulos en esttico para que con las variciones dinmicastrabajen en las mejores condiciones posibles, uno de estos ngulos es la cada.Es el ngulo que forma el plano de la rueda con respecto a la vertical, y como

se v en la imagen de la izquierda puede ser neutra, positiva o negativa.Como se puede ver en el grfico de la derecha la mayor adherencia seconsigue con cadas negativas hacia neutro y empeora con cada positivaPero como se v en la otra figura a mayor variacin de cada hace que pierdacontacto un mayor parte de banda de rodadura y cuanto ms goma en contactotendremos ms adherencia, esto es especialmente importante en frenada yaque una importante cada negativa hace inestable la frenada, no obstante lamayor fuerza de viraje se consigue con una pequea cada negativa, tambinse produce un empuje de cada.Una forma de tener ms contacto de la banda de rodadura es dar msflexibilidad a los flancos del neumtico

- Cada neumtico tiene su flexibilidad y cada coche su geometra desuspensin y cuando la cada es regulable hay que adaptarla a las


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variaciones dinmicas para hacer que el neumtico apoye lo mejorposible

PRESIONES

El coeficiente de friccin aumenta con la presin pero a partir de cierto valor depresin el rea de contacto del neumtico con el suelo se deforma,- si la presin es excesiva la parte central sobresaledisminuyendo elcontacto de los costados,- si la presin es baja son los bordes los que hacen mscontactoymenos la parte central, el neumtico tiene ms deriva, es ms lento a loscambios de direccin, se calienta ms y tiene mayor resistencia a larodadura aumentando el consumo.La mejor forma de ver la presin idnea es medir la temperatura en loslaterales y el centro de la banda de rodadura, si es menor en el centro lapresin es baja y si es en los laterales es baja, siempre medidas en las

condiciones normales de trabajo.La presin vara con la temperatura, es por tanto necesario hinchar losneumticos para conseguir la mejor eficacia en las condiciones de trabajo, sepueden hinchar con nitrgeno que tiene mayor estabilidad a los cambios detemperatura. En alta competicin se usan mezclas de gases para mejorar elcomportamiento.

TEMPERATURA


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La viscosidad de la goma de un neumtico cambia con la temperatura, lacomposicin quimica est formulada para conseguir el mejor en una banda detemperatura, ms estrecha en los de competicin (90-100) cuando elneumtico est en su temperatura ptima de trabajo la superficie de la banda

de rodadura se vuelve ms blanda penetrando mejor en el granulado delpavimento consiguiendo la mxima adherencia, cuando se calienta demasiadola goma se desprende ms facilmente, aumenta la resistencia a la rodadura yaumenta el desgaste.La temperatura del neumtico procede de varias fuentes: temperatura ambientey del asfalto, calor desprendido por los frenos, presin de hinchado, pesoincidente, fuerza de viraje, construccin y flexin de la carcasa.En competicin se suele ver como ponen unos calentadores en las ruedas paramantenerlas a la temperatura idnea antes de la salida o cambio y es el motivopor el que cuando por algn incidente se ralentiza la carrera los coches vanhaciendo zig-zag, es para mantener calientes los neumticos.

CARGA VERTICAL

Influye sobre el coeficiente de friccin (Cf) amedida que la carga aumenta el Cfdisminuye aunque como se puede ver en lafigura de la izda es una variacin suave.Se dan dos circunstancias opuestas el mayorpeso nos d un menor Cf especfico pero elaumento de la carga compensa el menor Cf yaumenta la capacidad de traccin de la

rueda.Entender este fenmeno nos ayuda aentender como afectan al comportamientodel coche las transferncias de pesos.

Vamos a suponer un tren trasero cuyas ruedas con un Cf de 1.2 soportan 200kg cada una, o sea la fuerza de aherencia de los neumticos es de 240 kg cada


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uno, por efecto de la aceleracin se transfieren del tren delantero al tren traserounos 100 kg por rueda, como vemos en la fig 9 el Cf para 300 kg es 1 perocomo la adherencia es el producto del Cf por el peso incidente vemos que elneumtico puede ejercer en este momento 300 kg de fuerza de traccin, estoexplica porque los traccin trasera tienen una mejor motricidad, al acelerar

siempre hay una transferencia de pesos hacia atrsEn la Fig 10 vemos que sucede al girar en este caso hacia la dcha, lacapacidad de traccin del eje es de 480 en lnea recta (240 kg por rueda), en elgiro se produce una transferencia de la rueda interna a la externa, tenemosentonces 320 kg y un CF de 0.9 en la externa con lo que la fuerza de virajeser de 288kg.La rueda interior tiene mayor Cf (1.3) pero por la transferencia solo tiene 80 kgcon lo cual tiene una fuerza de viraje de 104 kg. Sumando la fuerza de ambasruedas 288+104=392 kg .Se comprueba que la transferencia de pesos entre ruedas de una mismoeje nos quita fuerza de viraje en ese eje.

De no haber existido transferencia la aceleracin lateral posible hubiera sido480/400=1.2 G pero en el caso del virage con transferencia tenemos392/400=0.98 G

CIRCULO DE TRACCION

El neumtico tiene unas caractersticas de adherencia en traccin, frenada ylateral que es lo que se conoce como circulo de traccin o Kamm.Es variable en funcin de las condiciones de adherencia y las fuerzas queactan sobre el neumtico.El mejor piloto es el que llega al lmite en cada una de las condiciones de

conduccin, si se queda corto (verde en el grfico) no aprovecha todas lasposibilidades, si lo supera(rojo en el grfico) patinar en traccin, bloquear enuna frenada y derrapar en curvas, si est en el lmite (amarillo en el grfico)


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aprovechar al mximo la adherencia del neumtico.En el dibujo de la derecha se v un conductor A lento, otro B bastante msrpido y el C que llega un poco ms al lmite.

CENTROS DE BALANCEO

Cuando un coche gira la fuerza centrfuga que acta a travs del centro degravedad produce una transferencia de pesos que comprime las suspensinesdel lado exterior de la curva. La masa suspendida (el chasis del coche) tiende abalancearse girando alrededor de un punto imaginario que es el centro debalanceo (roll center).

El centro de balanceo CB es un punto imaginario alrededor del que balancea elcoche, en este caso en una suspensin de doble tringulo
http://es.wikipedia.org/wiki/Centro_de_balanceohttp://es.wikipedia.org/wiki/Centro_de_balanceohttp://es.wikipedia.org/wiki/Centro_de_balanceohttp://es.wikipedia.org/wiki/Centro_de_balanceo


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La lnea imaginaria que une el centro de balanceo y el trasero se llama eje debalanceo, el centro trasero suele estar ms alto. La distancia D es la fuerza depalanca usada por la fuerza centrfuga para balancear a travs del centro degravedad CG aplicando el par total de balanceo. Este par se puede modificaractando sobre la dureza de muelles y estabilizadoras

TRANSFERENCIA DE PESOS

TRANSFERENCIA LONGITUDINAL

Cada vez que un coche hace un movimiento en aceleracin, retencin, frenada,giro, etc hay una transferencia de pesos que podemos ver en la compresin delas suspensiones. Puede ser longitudinal (p. ej. al acelerar) transversal (al girar)o combinada (p.ej. al coger una curva frenando o acelerando).Como hemos visto el coeficiente de friccin de los neumticos depende delpeso incidente sobre ellos y que la adherencia tambin es proporcional al peso,por ello hay que desarrollar las suspensiones para optimizar el comportamientoen las distintas condiciones variables de transferencia.Al acelerar se transfiere peso hacia el eje trasero, el delantero se descarga yhay menos capacidad de traccin, por eso los traccin trasera tienen mejorescondiciones de aceleracin, ms cuando el terreno es hacia arriba.Al frenar sucede lo contrario, el tren trasero se descarga y el delantero secomprime adems cambia la geometria de suspensiones, por eso la frenada esmayor en el tren delantero.Para disminuir estos efectos se disean las suspensiones con efectoantihundimiento (anti squat, anti dive). Para el hundimiento longitudinal se

disean las articulaciones con un ngulo que ayude a controlar estosmovimientos en funcin del centro de gravedad CG.


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TRANSFERENCIA TRANSVERSAL

Al tomar una curva la fuerza centrfuga hace que haya una transferencia depeso hacia la rueda del exterior de la curva. Es directamente proporcional a lafuerza centrfuga y al centro de gravedad e inversamente proporcional a la va(anchura entre centros de ruedas) del vehculo.Esta transferencia se manifiesta por el balanceo de la carrocera y hace que losneumticos del interior de la curva pierdan capacidad de adherencia lateral,traccin y frenada, y los del exterior aumentan la adherencia.El balanceo produce una modificacin de los ngulos de suspensin que haceque la pisada del neumtico no sea la ideal.La transferencia de pesos lateral no est producida por el balanceo sino al

revs.Es la suma de los dos ejes pero en cada eje es diferente, para controlarlo hayque tener en cuenta esto para conseguir el efecto deseado en combinacin conla transferencia longitudinal para controlar el paso por curva con frenada,retencin, baches, etcl.Para controlar el balanceo se recurre a: control del centro de gravedad,variacin de va, dureza de los muelles y sobre todo la barra estabilizadora.En un coche de competicin no es tan importante pero en un turismo esnecesario conseguir un equilibrio entre balanceo y confort.


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BARRA ESTABILIZADORA

La barra estabilizadora(ANTI ROLL BAR) es una barra de torsin en acero (encompeticin se pueden usar de fibras) que une las suspensiones de amboslados del mismo tren. Puede ir unida a la supensin por tirantes, bieletas o

directamente y al chasis por silent-blocks.Al comprimirse un lado de la suspensin se torsiona transfiriendo parte delpeso a la otra rueda disminuyendo el balanceo.

La torsin y por tanto el balanceo depende de: el material, dimetro de la barra(A) la longitud (L) y la longitud de palanca (X) o las bieletas de anclaje.Al endurecer la barra estabilizadora (por variacin de diametro o longitud depalanca o otro) se aumenta el poder antibalanceo sin endurecer la suspensincuando ambas se comprimen o extienden por igual, pero cuando en recta hayirregularidades o baches en la carretera se producen movimientos del chasismuy incmodos y variaciones que necesitan correccin por el conductor.

MUELLES

La suspensin necesita de un elemento elstico que absorba lasirregularidades del suelo, se pueden utilizar barras de torsin, cojinesneumticos, elastmeros, ballestas, elementos de carbono, gas, etc. pero loms habitual son los muelles.Los muelles acumulan energa al comprimirse y la liberan al extenderse envarios ciclos (que tienen que controlar los amortiguadores) oscilando con unafrecuencia "natural" . La transferencia de pesos tambin influye en lacompresin o extensin de los muelles por lo que su dureza tambin influye enel comportamiento.

La principal caracterstica de los muelles

aparte de las medidas es la tensin, semide habitualmente en kilos/centmetro olibras/pulgada. Es el grado de compresindel muelle al aplicarle un peso, pero hayque tener en cuenta la palanca que hacela suspensin desde la rueda al muelle.Tambin hay que tener en cuenta lavariacin entre el ngulo dedesplazamieto de la rueda y el muellepara que la variacin de tensin seaconstante o creciente, en las

suspensiones inferiores se v este efecto.
http://es.wikipedia.org/wiki/Barra_estabilizadorahttp://es.wikipedia.org/wiki/Barra_estabilizadorahttp://es.wikipedia.org/wiki/Frecuencia_naturalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Muelle_el%C3%A1sticohttp://es.wikipedia.org/wiki/Barra_estabilizadorahttp://es.wikipedia.org/wiki/Frecuencia_naturalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Muelle_el%C3%A1stico


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Las difernecias entre la suspensin Push-rod (empujada) y Pull-Rod (tirada)estn en la situacin del tirante y el balancn de articulacin, en la Pull-rod vasituada abajo permitiendo un centro de gravedad ms bajo y una aerodinmica

ms limpia.El resultado es la tensin en la rueda que es lo que finalmente interesa. Hayque tener en cuenta la eventual deformacin de los brazos de las articulaciones

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