Diseño y Análisis de Suspensiones para Vehículos deSuspensiones para Vehículos de

Competición.

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

¿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 de Co t o de t a s e e c a demasa– Controla la velocidad de

transferencia de masa.– Controla la distribución de la

transferencia adelante/atrástransferencia adelante/atrás

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.

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:

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:

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.

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.

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 Senna q yganó 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.

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

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

PreguntasPreguntas

DimensionadoDimensionado• Para dimensionar los resortes necesarios

para un carro, es necesario distinguir cuales p , gson 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)

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

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.

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 barrasaceleración lateral. (grados/g) Estabilizadoras.

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))

Paréntesis (tipos de ajuste de barra estabilizadora)

Calculo de la resistencia al alabeo

δ Mδδkk

M

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.

PreguntasPreguntas

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 los pcomponentes

• A continuación se presentaran algunas de estasestas.

Paralelogramo deformable convencional

Suspensión en paralelogramo deformable con amortiguador en ladeformable con amortiguador en la

tijera superior

Eslabonamiento multi-barraEslabonamiento multi barra

Suspensión al interiorSuspensión al interior

PushrodPushrod

PullrodPullrod

Monoshock con pushrodMonoshock con pushrod

Monoshock con pullrodMonoshock con pullrod

Eslabonamiento de StohrEslabonamiento de Stohr

Nik-LinkNik Link

Discos de freno internosDiscos de freno internos

Discos de freno externosDiscos de freno externos

Mecanismos curiososMecanismos curiosos

Barra estabilizadora convencionalBarra estabilizadora convencional

Barra estabilizadora en TBarra estabilizadora en T

Barra estabilizadora de flexionBarra estabilizadora de flexion

PreguntasPreguntas

Diseño de Suspensión ExternaDiseño de Suspensión Externa• Suspensión externa se llama todo lo que hay por fuera p 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)

Pivote de DirecciónPivote de Dirección• El camber es la inclinación de la rueda con

respecto a un plano vertical, perpendicular a p p , p psu 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

• 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

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.

Como hallar el centro de alabeoComo hallar el centro de alabeo

Tijeras cortas/paralelas y de igual longitud estático

Tijeras cortas/paralelas y de igual l i d i i i llongitud movimiento vertical

Tijeras cortas/paralelas y de igual l i d l blongitud alabeo

Tijeras cortas/paralelas y de igual l i d l b ilongitud alabeo y compresion

Tijeras largas/paralelas y de igual longitud estático

Tijeras largas/paralelas y de igual l i d i i i llongitud movimiento vertical

Tijeras largas/paralelas y de igual l i d l blongitud alabeo

Tijeras largas/paralelas y de igual l i d l b ilongitud alabeo y compresion

Tijeras paralelas de longitudes diferentes estático

Tijeras paralelas de longitudes diferentes movimiento vertical

Tijeras paralelas de longitudes diferentes alabeo

Tijeras paralelas de longitudes diferentes alabeo y compresión

Tijeras no paralelas y de longitudes desiguales estático

Tijeras no paralelas y de longitudes d i l i i i ldesiguales movimiento vertical

Tijeras no paralelas y de longitudes d i l l bdesiguales alabeo

Tijeras no paralelas y de longitudes d i l l b iódesiguales alabeo y compresión

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

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

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

El “Bump Steer”El Bump Steer• Trayectorias diferentes y

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

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

Geometría de suspensión en vista lateral

• Regulando la ginclinación 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

PreguntasPreguntas

Transferencia de masaTransferencia de masa

• Existen dos tiposExisten dos tipos de transferencia de masa lamasa, la longitudinal y la laterallateral.

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

Transferencia de masa lateralTransferencia de masa lateral• Se realiza por tren p

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

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

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

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.

PreguntasPreguntas

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

La física de los amortiguadoresLa física de los amortiguadores

• El amortiguador Alta velocidadEl amortiguador digresivo, presenta la siguiente curva

Baja velocidad

la siguiente curva de fuerza vs-velocidadvelocidad

La especificación de los amortiguadores

• La especificaciónLa especificación de los amortiguadores seamortiguadores se realiza utilizando la amortiguaciónamortiguación relativa.

PreguntasPreguntas

Técnicas de construcción de suspensión

• En el momento deEn el momento de soldar los componentes de lacomponentes de la suspensión es sumamentesumamente importante

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

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

PreguntasPreguntas

Introducción a la dinámica vehicular

• “Aparte de las fuerzas )( αγFfF =paerodinámicos, las llantas generan las únicas fuerzas

),,( αγvertlat FfF =

únicas fuerzas externas sobre el vehiculo.”

• Suspensión debe ser diseñada para maximizar la tracciónmaximizar la tracción.

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.

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.

Circulo de tracciónCirculo de tracción

• La máximaLa máxima aceleración que una llanta es capaz pde entregar es la misma en todas las di idirecciones.

• Se conoce como i l d t iócirculo de tracción.

PreguntasPreguntas

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

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

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

Inestabilidad en la línea rectai 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

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.

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.

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

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.

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

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

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

Subviraje asimétricoSubviraje asimétrico

• Pesos desbalanceadosPesos desbalanceados• Caster desbalanceado

C b d b l d• Camber desbalanceado

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

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

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

PreguntasPreguntas

GraciasGracias