Barra Estabilizadora

Cuando el vehículo toma una curva, la acción de la fuerza centrífuga carga el peso del coche sobre las ruedas exteriores, con lo cual, la carrocería tiende a inclinarse hacia ese lado comprimiendo las ruedas exteriores. Para evitar que suceda, se montan barras estabilizadoras sobre los ejes, que consisten, esencialmente, en una barra de acero elástico, cuyos extremos se fijan a los soportes de suspensión de las ruedas de un mismo eje.

De esta forma, al tomar una curva, como una de las ruedas tiende a bajar y la otra a subir, se crea un par de torsión en la barra que absorbe el esfuerzo e impide que la carrocería se incline a un lado, manteniéndola estable. Ese movimiento vertical hacia arriba de la rueda exterior se transmite a la rueda interior a través de la barra, que tiende a bajar la carrocería del lado interior comprimiendo el muelle. El mismo efecto se produce cuando una de las ruedas encuentra un bache u obstáculo, creando, al bajar o subir la rueda, un par de torsión en la barra que hace que la carrocería se mantenga en posición horizontal. De esta forma se consigue sumar la acción de los dos muelles.

En realidad, las barras estabilizadoras tienen tres efectos. En primer lugar, con sus conexiones a ambos lados de la suspensión, ejerce una resistencia al balanceo. En segundo lugar, actúan en parte también como muelle, especialmente sobre la rueda exterior. Y en tercer lugar, afectan a la distribución entre ejes de la transferencia de pesos que tiene lugar.

Este efecto de torsión en la barra que produce la transferencia de peso de la rueda interior a la curva hacia la exterior, aumenta la adherencia en la rueda exterior, pero sólo si esa rueda está en condiciones de “aguantar” la sobrecarga. De esta manera, la estabilizadora, a la vez que limita el balanceo, aumenta la adherencia transversal de la rueda exterior. Si, por geometría de la suspensión o por reparto de pesos estático del vehículo, esa rueda no se encuentra en ese momento en óptima situación para admitir el incremento de peso, el efecto de la transferencia de peso es negativo: aumenta la deriva exageradamente, sobrepasa el máximo de la curva de adherencia y, por tanto, disminuye la fuerza lateral que es capaz de generar.

En este caso, al producir la disminución de esta fuerza, provocamos que el vehículo tienda a deslizar de ese eje. Si se está haciendo referencia al delantero tenderá a subvirar o a contrarrestar un comportamiento sobrevirador. Si se está haciendo referencia al trasero, la tendencia será a producir el sobreviraje, o a paliar un comportamiento subvirador.

Los factores que intervienen en el funcionamiento de la barra estabilizadora son, además de la rigidez propia del material, el diámetro de la sección de la barra y la longitud

de brazo de palanca que tengan las bielas en los extremos. Si la barra es muy rígida puede llegar al límite y por tanto a levantar la rueda interior. La barra estabilizadora es un elemento que aumenta la rigidez a rolido del vehículo donde se encuentre instalada, su funcionamiento está basado en la deformación angular.

El procedimiento para diseñar la barra estabilizadora sigue un orden lógico gobernado por ecuaciones literalmente sencillas que representan un fenómeno sencillo.

La colocación de una barra estabilizadora en el eje trasero permite variar la resistencia al rolido del prototipo, disminuyendo tales movimientos, permitiendo negociar las curvas con mayor estabilidad, y evitando pérdidas de energía cinética en movimientos innecesarios como el rolido de la masa soportada, igualmente, el efecto de variaciones en la rigidez a rolido del vehículo se evidencia en la maniobrabilidad del mismo, ya que dicho valor modifica la proporción de transferencia de carga lateral. La transferencia lateral en los cauchos traseros aumenta y paralelamente disminuyen la transferencia lateral de masa en el caucho delantero.

Diseño

Para un diseño correcto de una barra estabilizadora debe tomarse en cuenta qué rigidez se necesita para lograr el mejor desempeño posible del carro. Se debe tener presente que mientras más alto sea el porcentaje de transferencia de masa lateral frente al delantero, más fuerte será la tendencia al sobre-viraje del prototipo, lo que lleva a pensar que mientras más rígida sea la barra mejor será el comportamiento en pista, pero surge la interrogante sobre qué grado de sub-viraje se requiere en el prototipo, de forma que su comportamiento no se torne impredecible en curvas de radio de giro amplio o que su maniobrabilidad no sea sensible en exceso, por otro lado, al colocar una barra excesivamente rígida se aumentaría sustancialmente el peso del vehículo, cosa que no se desea por las implicaciones en aceleración que conlleva un mayor peso.

Se plantea el diseño de una barra estabilizadora ajustable, que permita, a través de diferentes configuraciones, variar la rigidez que ofrece, con el fin de ver cambios en el comportamiento del prototipo en curvas, para así determinar cuál debe ser el valor, o el rango adecuado de ajustabilidad que debe poseer el diseño del sistema, para no agregar peso innecesario y que el comportamiento sea tal que los pilotos puedan negociar curvas sin mayor inconvenientes por un bajo grado de sub-viraje.

Para evidenciar el efecto de la rigidez de la barra estabilizadora en el porcentaje de transferencia de masa lateral, se plantea un análisis de la variación de la proporción delantera de la transferencia de masa para diferentes valores de rigidez del sistema de barra estabilizadora, instalado en el eje trasero, en un escenario en el cual el prototipo negocia una curva bajo una aceleración lateral de 0.5 g.

De donde se deducen las ecuaciones que justifican el balance de fuerzas presentes en el escenario antes descrito:

Donde Wr = Transferencia de masa lateral en el eje trasero (N). Wf = Transferencia de masa lateral en el eje delantero (N). Ws = Masa soportada total del vehículo (kg). h2 = Distancia perpendicular del centro de masa del prototipo al eje de rolido (m). %Tf = Porcentaje transferencia de masa lateral en el eje delantero. ɸ= Ángulo de rolido del vehículo (°). ɸ/Ay = Gradiente de rolido del vehículo (°/g). kɸf= Rigidez a rolido del eje delantero. kɸr= Rigidez a rolido del eje trasero. kɸf= Rigidez a rolido del eje delantero. kɸb= Rigidez a rolido del sistema de barra estabilizadora.

En el comportamiento descrito por esas expresiones existen grandes cambios en la proporción, al igual que para el gradiente a rolido para rigideces de barra comprendidas

entre 0 N·m/rad y 1.25x104 N·m/rad, por lo cual para un diseño dónde se quiere observar el aporte del sistema en el comportamiento del prototipo y el cual permitirá establecer un límite de rigidez para la barra éste podría ser un buen rango donde se ajustaría, ya que con pequeñas variaciones en el valor, se obtienen cambios notables en la proporción. Se debe tener en cuenta que para un diseño que ofrezca mayor resistencia al rolido el comportamiento a obtener se ajusta asintóticamente a un mismo valor, por lo cual para una primera aproximación no vale la pena colocar una barra con tales características debido a un inminente aumento de peso que puede resultar innecesario.

El rango en cuestión fue escogido para el sistema de barra estabilizadora del prototipo BAJA 2011, del cual se extraerán datos para evidenciar el aporte que realiza la barra, que en caso de no lograrse una tendencia de sobre-viraje adecuada, para futuros diseños, se deberá escoger una mayor rigidez hasta finalizar con un tope de máxima resistencia a rolido que se necesita los prototipos realizados en la agrupación.

El sistema de barra estabilizadora para el prototipo debe ser uno que cumpla con las siguientes características: Ofrecer la rigidez establecida con el diseño teórico.

Ser liviano, ya que no se quiere aumentar el peso del vehículo en exceso, por tal razón debe cuidarse la relación peso-resistencia y peso-función.

Ser de fácil montaje y desmontaje ya sea para realizar mantenimiento o para hacer un cambio en caso de falla en la competencia.

Ser de sencilla construcción, sin piezas muy complicadas.

Ser diseñado de forma que esté lo suficientemente protegido ante posibles colisiones con otros vehículos o impactos debido a piedras u obstáculos en pista que puedan impedir su buen funcionamiento.

4.2.1. Diseño de la cinemática de la barra estabilizadora

El sistema de barra estabilizadora inicialmente debe estar configurado de tal forma que ofrezca grandes ángulos de torsión en el mismo sin necesidad de mayores ángulos de rolido en el vehículo, esto con el fin de que la barra estabilizadora ofrezca un buen valor de fuerza restitutiva sin requerir de grandes dimensiones de los elementos del sistema, porque se recuerda que el sistema de barra anti rolido del prototipo sigue el modelo lineal de elasticidad, según el cual para un determinado valor de momento, existe dos escenarios extremos, uno de un sistema con gran rigidez que necesite poco ángulo de

deformación para generar tal valor, y otro, donde un sistema con poca rigidez, tiene grandes deformaciones tales que permitan generar el mismo valor. Para el diseño de la a instalar en el prototipo BAJA se desea que el sistema sea lo más parecido al del último caso, de forma que no se tenga elementos exageradamente pesados para obtener una gran rigidez.

M= Kɸb. Ɵ (4.6)

M= Momento estabilizador resultante (N·m). Kɸ= Rigidez a torsión de la barra estabilizadora (N·m/rad). Ɵ= Ángulo de deformación por torsión del sistema (rad).

El principal factor determinante de un buen desempeño del sistema, tratándose del caso simple en que la barra pivota en el mismo eje que los brazos de suspensión, es el denominado radio de instalación, que refiere a la relación entre desplazamientos del punto de agarre de la barra estabilizadora y los desplazamientos vertical de la rueda, mientras mayor sea el valor, de menos dimensiones resultarán las piezas del sistema, ya que existirá un mayor ángulo de torsión para un mismo ángulo de rolido del vehículo.

4.2.2. Diseño de componentes para el sistema de barra estabilizadora.

En búsqueda de simplicidad de manufactura y ensamblaje, el equipo BAJA SAE ha escogido como diseño base para este sistema, el ilustrado en la parte derecha de la Figura, con pequeñas variaciones entre uno y otro prototipo. El sistema es ligeramente diferente al utilizado en automóviles comerciales (ver parte izquierda), pero ambos se basan en el mismo modelo.

El modelo de la figura posee un funcionamiento en el cual, debido a la diferencia de posiciones de las ruedas traseras del prototipo al tomar una curva se genera un

momento torsor, y su correspondiente ángulo de deformación como consecuencia del mismo, a lo largo de la barra del sistema, resultando en una relación directa con la longitud de la misma, su inercia y el punto de unión con los brazos de suspensión, que corresponde con el punto de aplicación de la fuerza.

Para el modelo tratado, se puede obtener su rigidez como sistema de forma genérica, sometido a una torsión por los puntos de conexión con la suspensión, basándose en el Teorema de Castigliano, el cual, basado en la conservación de la energía, permite definir la rigidez del sistema como: (4.7)

Donde Ktb = Rigidez a torsión del sistema. (N*m/rad) d = Longitud de agarres de la barra con la suspensión (m). E = Módulo de Young de agarres de la barra (MPa) I = Momento de inercia de la sección transversal de agarres de la barra con la suspensión (m^2). G = Módulo de corte de la barra (MPa) J = Momento de inercia polar de barra a torsión (m^2)

Para culminar, se determina la rigidez aportada por el sistema al vehículo completo, lo cual se logra llevando la fuerza resultante de un ángulo de rolido conocido,

hasta los cauchos utilizando en antes mencionado radio de instalación y luego transformando dichas fuerzas en un momento anti rolido.

Prototipos Baja SAE USB

Todos los prototipos excepto el 35 han tenido suspensión trasera con barra estabilizadora.

El único parámetro determinante que ha cambiado con respecto a los años ha sido el lugar o posición donde va la barra estabilizadora, debido a que cada año se hace una configuración distinta de la transmisión y chasis que va a afectar la libertad de espacio para la barra, la posición de la barra define parámetros como el diámetro, la longitud y las conexiones del push (brazo de la suspensión).

Siempre hay una tendencia a buscar un lugar en donde la deformación de la barra con respecto al rolido sea máxima y de esta forma contar con una barra más pequeña que genere el mismo efecto. Vale la pena destacar que una barra más pequeña y menos peso para el prototipo son sinónimos, de esta manera el objetivo principal era buscar un lugar con dicha característica.

Prototipo 2011-2012

4.3. Metodología de diseño de la barra estabilizadora aplicada al prototipo 2011.

Se utilizará como marco para el diseño de la cinemática, el software Lotus Suspension Analysis®, el cual mediante estudios geométricos permite obtener ángulos de torsión en la barra estabilizadora para diferentes valores de ángulos de rolido del prototipo.

Primero se ubicó el eje de pivote de la barra a torsión, para ello se planteó el un estudio de ángulos de rolido del prototipo para diferentes ubicaciones del eje, con el fin de obtener una ubicación para la misma que ofrezcan un buen comportamiento, sin comprometer el espacio para los componentes mecánicos. La segunda condición prevaleció sobre la primera para este prototipo, debido a problemas de espacio por el sistema de transmisión del prototipo. Luego se realizaron estudios de la posición de los puntos de conexión de la barra con el brazo de suspensión y el largo de los brazos que aplican la torsión en la barra estabilizadora, resultando dos posiciones efectivas de la barra en el brazo de suspensión y tres posibles lugares de conexión con la barra.

Se utilizó una longitud de 120 mm del vínculo entre la barra estabilizadora y el brazo de suspensión

Para el modelo de brazos de torsión definitivo si se aprecia variación considerable en la rigidez del sistema al utilizar los diferentes agujeros de sujeción.

Rigidez de barra estabilizadora con modelo final de brazos de torsión. Configuración

Rigidez del sistema (N*m/rad)

1 686.292 698.933 712.03

Bajo estas condiciones, el sistema es capaz de generar fuerzas de magnitudes mostradas en la Tabla 4.4 para cinco grados de rolido, con las cuales, luego de ser llevadas a su equivalente en cada rueda, se obtiene las rigideces mostradas en la tabla tal para el sistema de barra estabilizadores en sus diferentes configuraciones. Tabla 4.4 Fuerza generada por la barra estabilizadora en sus diferentes configuraciones

Configuración Fuerza generada para 5 ° de rolido (N)

1-I 649.521-II 530.752-I 987.102-II 837.803-I 1493.763-II 1278.44

Tabla 4.5 Rigidez a rolido de la barra estabilizadora para sus diferentes configuraciones.

Configuración Rigidez a rolido (N*m/°)

1-I 33.6691-II 27.5122-I 66.9942-II 43.4283-I 101.3803-II 66.269

Medición de rigidez de la barra estabilizadora.

Bajo la premisa de validación del modelo base para el diseño de la barra estabilizadora, se planteó un experimento para determinar la rigidez del sistema, así como la rigidez a rolido del prototipo. La prueba consistió en la aplicación de momentos conocidos, tales que produjeron cierto ángulo de rolido en el vehículo que fue registrado a fin de determinar la relación entre ambos y así obtener el valor buscado. Para determinar exactamente la rigidez aportada por la barra estabilizadora basta con restar al valor obtenido con cada configuración, el valor proveniente del prototipo sin el montaje del sistema antirrolido.

El montaje del experimento consistió en la colocación de una cincha atada entre

uno de los tubos pertenecientes a la parte superior del chasis del prototipo y una celda tipo S que a su vez estaba fija en su otro extremo a un elemento de suficiente masa como para que no fuera desplazado al aplicar la carga. El objetivo de la cincha fue el de mecanismo de aplicación de la fuerza que generaría un momento alrededor del eje neutro de rolido del prototipo, lo cual era posible al ir aumentando la tensión de la misma. Por su parte la celda tipo S cumplió con la función de registrar la tensión aplicada, a fin de convertir ese valor en un momento que hace rotar la masa soportada del prototipo.

Al igual que en los experimentos antes realizados, el sistema embebido de telemetría fue colocado en la masa soportada del prototipo, a fin de determinar la cantidad en grados que estaba rotando.

En el esquema del experimento vale la pena acotar que la colocación de la cincha fue tal que su posición se mantuvo cercana a la horizontal (con desviación entre 2 y 3 °) de forma que las mediciones de la celda de carga pudieran ser consideradas como fuerzas horizontales, con este montaje también se evitó la aplicación de fuerzas verticales que pudieran afectar el resultado de la prueba.

De los resultados se evidencia claramente la tendencia lineal de comportamiento de la rigidez a rolido para diferentes momentos aplicados ya que al agregar una línea de tendencia su ajuste es bastante bueno. En la comparación entre los valores de rigidez a rolido obtenidos y sus correspondientes valores teóricos para las diferentes configuraciones la desviación porcentual mostrada demuestra que la metodología utilizada para el diseño de las rigideces de la barra estabilizadora es buena, ya que, exceptuando las configuraciones 3-II y 2-I, las desviaciones porcentuales se mantienen en valores menores al 6% en cada caso, sin embargo, una desviación del 8 y 10% como las obtenidas para las configuraciones excluidas no debe considerarse como mala, ya que pese a su valor, esas configuraciones conservan la tendencia esperada en cuanto a rigidez con respecto a las demás configuraciones probadas en la tabla. Por último, destaca el hecho de que la rigidez teórica del prototipo sin barra estabilizadora sólo depende del valor de las rigideces de los resortes de la suspensión, mientras que la rigidez de la barra se debe sólo a su geometría y estructura, por lo tanto el experimento está corroborando valores obtenidos por métodos teóricos diferentes, aspecto que suma valor a la precisión de los resultados obtenidos.

Luego de analizar los resultados se plantea la interrogante de qué es lo que se quiere en el prototipo, que cruce con el menor esfuerzo o que tienda a ser sobre-virante aunque el ángulo de cruce sea mayor, las limitantes del escenario dos vienen porque el prototipo posee un recorrido de la dirección finito, así que para una curva cualquiera se recomienda colocar la configuración que garantice el menor ángulo de cruce del vehículo, así no se corre el riesgo de agotar el recorrido al acelerar más y no poder tomar una curva.

Gradiente de sub-viraje para diferentes rigideces a rolido Se observa una tendencia de disminución en el gradiente para un aumento de

rigidez desde 220 N*m/° hasta 250 N*m/°, variación que luego va disminuyendo a medida que se adiciona rigidez, por lo cual es lógico pensar que el comportamiento se ajuste asintóticamente a un valor mínimo para el gradiente, que ayudaría a definir un rango máximo de aprovechamiento para aumento de rigidez. Sin embargo, entre las últimas dos configuraciones probadas se observa un nuevo aumento del gradiente, lo cual podría

llevar a suponer la existencia de un valor máximo para la rigidez del prototipo, con el cual se obtiene la mayor disminución del grado de sub-viraje del mismo para un vehículo tipo BAJA. . Vale la pena señalar que para hacer tales asunciones se deben realizar pruebas con configuraciones de mayor rigidez a rolido del prototipo, a fin de corroborar la tendencia y poder descartar el efecto de una medición imprecisa en la línea de tendencia mostrada.

Se debe tener en claro que esta tendencia es válida para aceleraciones laterales bajas (menores a 0.2g) ya que para mayores valores, el comportamiento del ángulo de cruce del prototipo para aceleraciones laterales no puede asumirse lineal como se demostró en las gráficas de dónde se obtuvo los valores aquí presentado.

De igual forma puede validarse el aporte de la barra estabilizadora a la disminución del gradiente de sub-viraje del prototipo, mejorando el comportamiento en curvas del mismo, pero queda la interrogante sobre cuál es el comportamiento para rigideces mayores a las probadas.

Prototipo 2012-2013

Por diseños de transmisión y chasis mencionados anteriormente, se decidió colocar la barra debajo de la caja de transmisión. Un lugar donde la barra tendrá una buena proporción de deformación con respecto al rolido y que a su vez tiene la protección de la estructura del chasis, el lugar ideal en términos de diseño, ya que debido a sus buena proporción de deformación, la barra tendrá un diámetro considerablemente pequeño con respecto a una barra colocada dentro del tubo LC como en los prototipos anteriores.

A partir del lugar se definieron variados parámetros cinemáticos del comportamiento del sistema con la barra en dicha posición para luego establecer los parámetros dinámicos necesarios para conseguir el comportamiento requerido.

Para definir el comportamiento cinemático se utilizó el programa de simulación de modelos de suspensión Lotus Suspension Analysis® para encontrar la deformación de la barra con respecto al rolido del carro. Para las cuales bajo ciertas configuraciones:

LongBarra= 500mm; Long push= 130mmY ciertas configuraciones de posiciones según la longitud del pushing, una posición

a 117 otra a 75 y la última a 50 milímetros. Para las cuales dieron unas deformaciones máximas correspondientes de 33.27, 15.4582 y 5.5524 grados respectivamente. Debido a esto se tiene un amplio rango de rigideces disponibles. En base a estos resultados y el necesario estudio del comportamiento dinámico del sistema se eligieron parámetros geométricos necesarios y lógicos, así como parámetros dinámicos: -Material del pushing y de la barra, aluminio 7075 FORTAL y acero 1020 respectivamente. Diámetro= 0.5in

De estos resultados se tiene un amplio rango de soluciones, es decir, dependiendo de los requerimientos del terreno se puede cambiar la posición del brazo de la suspensión para obtener distintos comportamientos.

Era necesario diseñar los acoples con el chasis para el cual se decidió repetir modelos de acople hechos anteriormente en el equipo que consiste de un brazo hecho de FORTAL con dos orejas soldadas al chasis, todo el sistema va a estar sujeto por un tornillo que traspasa las orejas y el brazo.

Para los pushing como ya se dijo se tienen tres agujeros o configuraciones posibles; acoplado a la barra con un tornillo que atraviesa el pushing y la barra simultáneamente.

Amortiguadores

Adjuntar practica de laboratorio de amortiguadores

“ Los amortiguadores son dispositivos utilizados para disipar energía en sistemas dinámicos (e.g. con movimiento vibratorio). Una de las aplicaciones más comunes de amortiguadores es en la suspensión de vehículos. Sin el amortiguador, sería imposible que los vehículos en la actualidad pudieran viajar a velocidades de autopista, ya que cuando la suspensión del vehículo se acerca a entrar en resonancia con la excitación producida por la carretera, el movimiento de la cabina puede llegar a ser incontrolable. Un vehículo con amortiguadores dañados (muy baja amortiguación) es más difícil de controlar debido a los grandes movimientos de la cabina. También se genera un excesivo rebote de los cauchos sobre la carretera, lo cual a su vez implica menos agarre del caucho al piso y por lo tanto menor capacidad del vehículo para cruzar y frenar.

Existen muchos tipos de amortiguadores, así como también existen muchos tipos de aplicaciones y condiciones de trabajo (no sólo automotrices) donde se necesita amortiguación. En la presente práctica se trabajará con un amortiguador de aplicación automotriz, por tanto se ahondará en la teoría correspondiente. “

El amortiguamiento adecuado es una solución de compromiso entre el requerido para detener una vibración a la frecuencia natural del sistema provocada por una sola excitación y el hecho de que cuanto mayor sea el amortiguamiento, mayor será la perturbación sufrida por la masa suspendida con cada irregularidad del terreno.

La combinación ideal es un muelle no demasiado duro, que sea sensible a cualquier oscilación, con un amortiguador firme, que sea verdaderamente el que soporte las cargas debidas a la conducción, haciendo que la carrocería oscile lo mínimo posible.

Aunque existen diferentes tipos de amortiguamiento, el amortiguamiento de tipo viscoso es el más utilizado en automoción, concretamente el de los amortiguadores hidráulicos, ya que su comportamiento se aproxima bastante bien a un amortiguamiento proporcional a la velocidad entre las masas suspendidas y no suspendida, de proporcionalidad variable.

Este tipo de amortiguadores son capaces de ejercer una fuerza que se relaciona con la velocidad del pistón de manera lineal, por lo que tiene una constante que se denomina coeficiente de amortiguamiento.

Cuando un coche pasa por un bache, los resortes almacenan la energía absorbida en el proceso, y la "devuelven" aproximadamente con su mismo valor. Si no existieran los

amortiguadores, la carrocería del vehículo oscilaría continuamente. La función del amortiguador es pues controlar esas oscilaciones transformando la energía que almacena el resorte en calor.

Los amortiguadores convencionales no soportan el peso del vehículo. En lugar de ello, el propósito principal del amortiguador es controlar el movimiento de los resortes y de la suspensión. Esto se logra transformando la energía cinética del movimiento de la suspensión en energía térmica, o energía calorífica, para disiparla a través del fluido hidráulico.

Los amortiguadores son básicamente bombas de aceite. Hay un pistón sujeto al extremo de la barra del pistón y dicho pistón funciona contra el fluido hidráulico en el tubo de presión. A medida que la suspensión se desplaza hacia arriba y hacia abajo, el fluido hidráulico es forzado a través de pequeños agujeros, llamados orificios, ubicados en el interior del pistón. Sin embargo, estos orificios dejan pasar solamente una pequeña cantidad de fluido a través del pistón. Esto reduce la velocidad de movimiento del pistón, lo cual a su vez reduce la velocidad de movimiento de los resortes y de la suspensión.

La cantidad de resistencia que un amortiguador desarrolla depende de la velocidad de la suspensión y el número y tamaño de los orificios ubicados en el pistón. Todos los amortiguadores modernos son dispositivos amortiguadores hidráulicos sensibles a la velocidad, lo cual significa que cuanto más rápidamente se mueve la suspensión, más resistencia proporciona el amortiguador. Debido a esta característica, los amortiguadores se ajustan a las condiciones de la carretera. Como resultado de ello, los amortiguadores reducen la tasa de: Bounce (rebotes) Roll or sway (oscilaciones) Brake dive and Acceleration squat (inclinaciones de la

carrocería en frenados o aceleraciones)

Los amortiguadores funcionan sobre el principio del desplazamiento de los fluidos tanto en el ciclo de compresión como en el de extensión. Un auto o camión ligero típico tendrá más resistencia durante su ciclo de extensión que durante su ciclo de compresión. El ciclo de compresión controla el movimiento del peso no soportado

por los resortes de un vehículo, mientras que la extensión controla el peso soportado por los resortes, que es más grande.

Ciclo de compresión

Durante el tiempo de compresión o movimiento hacia abajo, un poco de fluido circula a través del pistón, de la cámara B a la cámara A, y un poco a través de la válvula de compresión, al tubo de reserva. Para controlar el flujo, hay tres etapas de valvulado tanto en el pistón como en la válvula de compresión.

En el pistón, el aceite fluye a través de los puertos del aceite y, a velocidades bajas del pistón, Los sangrados de la primera etapa entran en juego y restringen la cantidad de flujo de aceite. Esto permite un flujo controlado de fluido de la cámara B a la cámara A.

A velocidades más rápidas del pistón, el aumento en la presión del fluido debajo del pistón en la cámara B hace que el disco se abra, alejándose del asiento de la válvula.

A velocidades altas, el límite de los discos de la segunda etapa pasa gradualmente a las restricciones de los orificios de la tercera etapa. Por lo tanto, el control de la compresión es la fuerza que resulta de la presencia de una presión más alta en la cámara B, la cual actúa sobre la parte inferior del pistón y el área de la barra del pistón.

Ciclo de extensión

A medida que el pistón y la barra se mueven hacia arriba, hacia la parte superior del tubo de presión, el volumen de la cámara A se reduce y por lo tanto está a una presión más alta que la cámara B. Debido a esta presión más alta, el fluido circula hacia abajo, a través de la válvula de extensión de 3 etapas del pistón, a la cámara B.

Sin embargo, el volumen de la barra del pistón ha sido extraído de la cámara B, lo cual aumenta enormemente su volumen. Por lo tanto, el volumen de fluido procedente de la cámara A es insuficiente para llenar la cámara B. La presión en el tubo de reserva es ahora mayor que la presión en la cámara B, lo cual fuerza a la válvula de entrada de compresión a desasentarse. A continuación, el fluido circula del tubo de reserva a la cámara B, manteniendo lleno el tubo de presión.

El control de la extensión es una fuerza presente como resultado de la presión más alta en la cámara A, que actúa en el lado superior del área del pistón.

DISEÑO DE UN AMORTIGUADOR Hoy en día se utilizan varios diseños de amortiguador: Diseños Bitubo Cargado con Gas PSD ASD Monotubo

Diseño Bitubo básico

El diseño Bitubo tiene un tubo interior, conocido como el tubo de trabajo o tubo de presión, y un tubo exterior conocido como el tubo de reserva. El tubo exterior se utiliza para almacenar el exceso de fluido hidráulico. Hay muchos tipos de montajes de amortiguador que se utilizan hoy en día. La mayoría de éstos utilizan bujes de caucho entre el amortiguador y el bastidor o la suspensión para reducir el ruido de la carretera y la vibración de la suspensión que se transmiten. Los bujes de caucho son flexibles para permitir movimiento durante el recorrido de la suspensión. El montaje superior del amortiguador se conecta al bastidor del vehículo.

La barra del pistón pasa a través de una guía de barra y un sello en el extremo superior del tubo de presión. La guía de barra mantiene la barra en línea con el tubo de presión y permite que el pistón se mueva libremente en el interior. El sello mantiene el aceite hidráulico en el interior y la contaminación en el exterior.

La válvula de base ubicada en la parte inferior del tubo de presión se conoce como válvula de compresión. Controla el movimiento del fluido durante el ciclo de compresión.

El diámetro interior es el diámetro del pistón y el interior del tubo de presión. Generalmente, cuanto más grande sea la unidad, más altos serán los niveles potenciales de control, debido

al mayor desplazamiento del pistón y las áreas de presión más grandes. Cuanto más grande sea el área del pistón, más pequeñas serán la presión de funcionamiento y las temperaturas internas. Esto proporciona capacidades de amortiguación más altas.

Los ingenieros de suspensiones seleccionan valores de valvulado para un vehículo específico con el fin de lograr unas características óptimas de equilibrio y estabilidad de la suspensión en una amplia variedad de condiciones de conducción. Su selección de resortes de válvula y orificios de válvula controla el flujo de fluido dentro de la unidad, lo cual determina la sensación y la maniobrabilidad del vehículo.

Diseño Bitubo cargado con gas El desarrollo de los amortiguadores cargados con gas fue un

importante avance en la tecnología de control de la suspensión. Este avance resolvió muchos problemas de control de la suspensión debido a que un número cada vez mayor de vehículos estaba utilizando construcción monocuerpo y distancias entre ejes más cortas, así como incrementando el uso de presiones de llantas más elevadas.

El diseño de los amortiguadores Bitubo cargados con gas resuelve muchos de los problemas de control de la suspensión que existen hoy en día, al añadir una carga a baja presión de gas nitrógeno en el tubo de reserva. La presión del nitrógeno en el tubo de reserva varía de 100 a 150 psi, dependiendo de la cantidad de fluido que haya en dicho tubo. El gas desempeña varias funciones importantes para mejorar las condiciones de control de la suspensión de un amortiguador. La función principal de la carga de gas es minimizar la aireación del fluido hidráulico. La presión del gas nitrógeno comprime las burbujas de aire en el fluido hidráulico. Esto evita que el aceite y el aire se mezclen y formen espuma. La espuma afecta al rendimiento porque puede ser comprimida, mientras que el fluido no puede ser comprimido. Con la aireación reducida, el amortiguador es capaz de reaccionar más rápidamente y más

previsiblemente, lo cual permite un tiempo de respuesta más rápido y ayuda a mantener la llanta plantada firmemente en la superficie de la carretera.

Una ventaja adicional de la carga con gas es que crea un leve aumento en la tasa de resorte proporcionada al vehículo. Ayuda a reducir el balanceo de la carrocería, la inclinación, el cabeceo durante el frenado y el asentamiento durante la aceleración.

Este leve aumento en la tasa de resorte es causado también por la diferencia en el área de la superficie encima y debajo del pistón. Con una mayor área de superficie debajo del pistón que encima de él, hay más fluido presurizado en contacto con esta superficie. Éste es el motivo por el cual un amortiguador cargado con gas se extenderá por sí mismo.

La función final importante de la carga con gas es permitir a los ingenieros una mayor flexibilidad en el diseño del valvulado. En el pasado, factores tales como la amortiguación y la aireación forzaban compromisos en el diseño.

Ventajas: Mejora la maniobrabilidad al reducir el balanceo, la inclinación y el cabeceo Reduce la aireación, con lo cual ofrece una mayor gama de control sobre una variedad

más amplia de condiciones de la carretera, en comparación con las unidades sin carga con gas

Desvanecimiento reducido: los amortiguadores pueden perder capacidad de amortiguación a medida que se calientan durante el uso. Los amortiguadores cargados con gas podrían reducir esta pérdida de rendimiento, llamada desvanecimiento.Desventajas:

Sólo se puede montar en un sentido

Usos Actuales: Equipo original en muchas

aplicaciones en autos de pasajeros, SUV y camiones ligeros

Diseño Bitubo - PSD

En los amortiguadores hidráulicos comentamos que, en el pasado, los ingenieros de suspensiones tenían que hacer un compromiso entre valvulado suave y valvulado firme. Con el valvulado suave, el fluido circula más fácilmente. El resultado es

una suspensión más suave, pero con mala maniobrabilidad, mucho balanceo y mucha inclinación. Cuando el valvulado es firme, el fluido circula menos fácilmente. Se mejora la maniobrabilidad, pero la suspensión se puede volver dura.

Con la llegada de la carga con gas, los ingenieros de suspensiones pudieron abrir los controles de los orificios de estas válvulas y mejorar el balance entre las capacidades de comodidad y control disponibles en los amortiguadores sensibles a la velocidad tradicionales.

Un salto más allá del control de la velocidad del fluido es una tecnología avanzada que tiene en cuenta la posición de la válvula dentro del tubo de presión. Esto se denomina Amortiguación Sensible a la Posición (Position Sensitive Damping, o PSD).

La clave de esta innovación son las ranuras conificadas con precisión en el tubo de presión. Cada aplicación es afinada individualmente, ajustando la longitud, profundidad y conicidad de esas ranuras, para asegurar que la suspensión brinde una comodidad óptima y se ofrezca control adicional. Esto crea, en esencia, dos zonas dentro del tubo de presión.

La primera zona, que es la zona de confort, es donde la conducción normal tiene lugar. En esta zona, el recorrido del pistón se mantiene dentro de los límites del rango intermedio del tubo de presión. Las ranuras conificadas permiten al fluido hidráulico pasar libremente alrededor y a través del pistón durante su recorrido por el rango intermedio. Esta acción reduce la resistencia en el pistón, lo cual asegura una suspensión suave y cómoda.

La segunda zona, que es la zona de control, se utiliza durante situaciones de conducción exigentes. En esta zona, el pistón se desplaza saliendo del área del rango intermedio del tubo de presión y más allá de las ranuras. Todo el flujo de fluido es dirigido a través del valvulado del pistón para brindar más control de la suspensión del vehículo. El resultado es una mejora en la maniobrabilidad del vehículo y un mejor control sin sacrificar la comodidad de la suspensión.

Ventajas: Permite a los ingenieros de suspensiones ir más allá del simple valvulado sensible a la

velocidad y usar la posición del pistón para afinar la característica de suspensión. Se ajusta más rápidamente a las condiciones cambiantes de la carretera y del peso que

los amortiguadores estándar Dos amortiguadores en uno: comodidad y control

Desventajas: Si la altura del vehículo no está dentro de los límites especificados por el fabricante, el

recorrido del pistón puede estar limitado a la zona de control

Usos Actuales: Principalmente mercado de accesorios bajo la marca Sensa-Trac

Diseño Bitubo - ASD Hemos examinado los compromisos realizados por los ingenieros de suspensiones

para integrar la comodidad y el control en un amortiguador. Este compromiso ha sido reducido significativamente por la llegada de la tecnología de amortiguación cargada con gas y sensible a la posición.

Un nuevo giro en el compromiso entre comodidad y control es una innovadora tecnología que proporciona mayor control de la maniobrabilidad a la vez que mejora la comodidad que la suspensión brinda, denominada Aceleración Sensible a la Suspensión (Acceleration Sensitive Damping, o ASD).

Esta tecnología va más allá de la amortiguación sensible a la velocidad tradicional para enfocar y absorber el impacto. Este enfoque en el impacto se logra utilizando un nuevo diseño de válvula de compresión. Esta válvula de compresión es un sistema mecánico de vuelta cerrada, que abre un desvío al flujo de fluido alrededor de la válvula de compresión.

Este nuevo diseño específico para la aplicación permite realizar cambios diminutos dentro del tubo de presión basados en la información recibida de la carretera. La válvula de compresión detectará un bache en la carretera y ajustará automáticamente el amortiguador para que absorba el impacto, dejando al amortiguador con mayor control cuando se necesita.

Debido al ajuste casi instantáneo a los cambios en las condiciones de la carretera, la transferencia de peso del vehículo se controla mejor durante el frenado y las curvas. Esta tecnología mejora el control por el conductor al reducir la inclinación durante el frenado y el balanceo durante las curvas.

Ventajas: Se aumenta el control sin sacrificar la comodidad del conductor La válvula se ajusta automáticamente a los cambios en las condiciones de la carretera Reduce la aspereza de la suspensión

Desventajas: Disponibilidad limitada

Usos Actuales: Principalmente aplicaciones del mercado de accesorios bajo la marca Reflex

Diseño Monotubo

Estos amortiguadores son amortiguadores cargados con gas a alta presión con un solo tubo, el tubo de presión. Dentro del tubo de presión hay dos pistones: un pistón divisor y un pistón de trabajo. El pistón de trabajo y la barra son muy similares al diseño del amortiguador Bitubo. La diferencia en la aplicación real es que un amortiguador Monotubo se puede montar en posición invertida o en posición al derecho y funcionará de cualquiera las dos maneras. Además de su flexibilidad de montaje, los amortiguadores Monotubo son un componente significativo, junto con el resorte, para soportar el peso del vehículo.

Otra diferencia que puede notarse es que el amortiguador Monotubo no tiene una válvula de base. En lugar de ello, todo el control durante la compresión y la extensión tiene lugar en el pistón.

El tubo de presión del diseño Monotubo es más grande que el del diseño Bitubo para acomodar la longitud sin retirada. Sin embargo, esto dificulta la aplicación de este diseño a los autos de pasajeros equipados con equipo original con un diseño Bitubo. Un pistón divisor de flotación libre se desplaza en el extremo inferior del tubo de presión, separando la carga de gas y el aceite.

El área debajo del pistón divisor está presurizada a unas 360 psi con gas nitrógeno. Esta alta presión del gas ayuda a soportar parte del peso del vehículo. El aceite está ubicado en el área situada encima del pistón divisor.

Durante el funcionamiento, el pistón divisor se mueve hacia arriba y hacia abajo a medida que la barra del pistón se mueve hacia dentro y hacia fuera del amortiguador, lo cual mantiene el tubo de presión lleno en todo momento.

Ventajas:

Se puede montar en posición invertida, lo cual reduce el peso no soportado por los resortes

Puede funcionar más frío, ya que el tubo de trabajo está expuesto al aire

Desventajas: Difícil de aplicar a autos de pasajeros equipados con equipo original con diseños

Bitubo. Una abolladura en el tubo de presión destruirá la unidad

Usos Actuales: Equipo original en muchas aplicaciones de autos de pasajeros, SUV y camiones

ligeros de importación y estadounidenses de alto rendimiento

Diseño

Para comprender mejor el proceso de diseño y los criterios utilizados en la determinación de la dinámica de la suspensión del prototipo BAJA SAE USB, antes que todo, se ilustra cómo lucen los sistemas de suspensión delantero y trasero del vehículo, a fin de ubicar cada uno de los componentes a los que se hará referencia a lo largo del presente trabajo.

En el equipo BAJA SAE USB se planteó un orden lógico para el diseño de la dinámica del prototipo, basado en tres pasos básicos: Escogencia de amortiguadores, Selección de la relación de movimiento entre las elongaciones del amortiguador y los desplazamientos verticales en las ruedas; y la Determinación de la rigidez necesaria para los resortes.

3.1. Escogencia de Amortiguadores.

Esta fase en específico resulta de gran incertidumbre en el equipo, debido a la falta de data suministrada por las casas de amortiguadores en general, los cuales ofrecen pocas veces valores de constantes de disipación de sus productos, por tal motivo la guía principal para la escogencia de estos elementos resulta la comparación entre el peso esperado del prototipo con el peso y la aplicación del vehículo en el cual se utiliza el amortiguador a seleccionar. Este razonamiento está fundamentado en el hecho de que se selecciona amortiguadores que están sometidos a regímenes de trabajo similares a los de un prototipo tipo BAJA, en este caso el equivalente comercial sería una moto todo terreno de cuatro ruedas (ATV por sus siglas en inglés), y por las características de peso del vehículo se asume que se puede llegar a obtener un buen comportamiento del sistema de suspensión ubicando en una posición adecuada el elemento.

3.2. Selección de relación de movimiento las elongaciones en el amortiguador y los desplazamientos verticales en las ruedas.

Típicamente en el equipo BAJA SAE USB se ha realizado un análisis de vibraciones para sistemas de suspensión con el modelo de cuarto de vehículo, a fin de determinar la constante de disipación y la rigidez del sistema necesarias para un buen comportamiento. Se debe señalar que en el modelo se debe incluir, como constante de disipación, el valor equivalente luego de transformar el efecto del amortiguador en su posición de montaje en el vehículo al sistema del modelo, que sólo admite desplazamientos verticales, esa relación viene por la expresión siguiente.

Con el modelo, y siguiendo los criterios establecidos en las secciones 1.4.6 y 1.4.7 se establece una frecuencia natural y un factor de amortiguación para el prototipo, con esto y el valor del peso total esperado para el vehículo se determina la constante de amortiguación equivalente del sistema y con tal valor y la constante promedio del amortiguador obtenida luego de adquirir el amortiguador o antes, si se logra estimar, se determina la relación de movimiento que necesita el sistema (MR por sus siglas en inglés).

Luego se busca la configuración de la posición geométrica del amortiguador con respecto a los brazos de suspensión tal que permitan cumplir con ese valor de MR obtenido para el caso del sistema de suspensión delantera y trasera.

Nota: Un aspecto de vital importancia es el hecho de que esa relación también va limitar cuánto recorrido vertical tendrá el sistema dependiendo de la carrera del amortiguador, según la expresión abajo mostrada. Por experiencia de manejo de pilotos en los distintos prototipos construidos por la agrupación BAJA SAE USB se recomienda que la suspensión delantera posea un valor de recorrido alrededor de unas nueve pulgadas (228.6 mm) o más, y para la suspensión trasera se ve limitado directamente por el rango de operación de ángulo de quiebre de los tripoides. 3.3. Determinación de la rigidez necesaria para los resortes.

Ya con los valores determinados de MR y la constante de disipación de energía del amortiguador sólo falta por determinar la rigidez necesaria de los resortes de la suspensión, para ello se debe tomar en cuenta dos aspectos fundamentales, el primero es que permita tener las frecuencias naturales y los factores de amortiguación seleccionados, y lo segundo es que la rigidez sea tal que permita que el vehículo conserve la configuración en estático resultante del diseño de la cinemática del sistema (para los casos en que el sistema no admita precargar los resortes, como con el uso de amortiguadores con rigidez aportada por cámara de aire). Esta selección de rigidez posee una ventaja para los modelos de amortiguador que usan resortes helicoidales, ya que los mismos permiten pre-comprimir el mismo, para que genere mayor fuerza producto de la deflexión del amortiguador en su posición de cero cargas o estática.

Banco de Pruebas para Amortiguadores:

Prototipos Baja SAE USB2009

El prototipo 2009 participó en la competencia realizada en Wisconsin, en la cual se obtuvo una posición general de número 34 de alrededor de 100 universidades. Figura 8.6 Prototipo 2009.

Los problemas presentados con este prototipo se deben principalmente al uso de amortiguador de modelo FOX FLOAT, los cuales poseen una amplia carrera y su comportamiento no era el más beneficioso para el vehículo, como se explica a continuación. En el sistema de suspensión trasera, el punto de agarre del amortiguador con el chasis se colocó en una posición tal que se necesitó la implementación de limitadores de recorrido para que los tripoides no excedieran el rango de operación al bajar las ruedas con respecto al chasis. Esta problemática surgió producto de la carrera del amortiguador, que no permitía servir de tope para el recorrido de la suspensión sin perjudicar a los tripoides.

Ubicación de los amortiguadores traseros

Por las características de los amortiguadores, el sistema resultó sobre amortiguado en una alta proporción, aspecto que fue determinante en un amplio tiempo de respuesta del prototipo a las distintas excitaciones.

2011

3.4. Parámetros dinámicos del sistema de suspensión del prototipo BAJA SAE USB 2011.

Utilizando el modelo de cuarto de vehículo y bajo las premisas antes descritas, se seleccionó para este prototipo unas frecuencias naturales de 1.2 Hz para la suspensión delantera y 1.4 Hz para la suspensión trasera.

Los amortiguadores escogidos fueron los de modelo FOX Podium, cuyo comportamiento, al igual a la mayoría de los amortiguadores, entrega una constante de amortiguación a extensión que es tres veces el valor a compresión, por lo cual el sistema entrega un valor para el factor de amortiguación en cada caso. Por tal motivo se utilizó para el criterio, el promedio de las constantes de amortiguación en ambos casos, ya que la respuesta del sistema incluye movimientos a compresión y a extensión en el amortiguador.

3.4.1. Suspensión delantera

Debido a lo bajo de la frecuencia natural para este caso, y las limitaciones geométricas (ya que también se considera que el agarre del amortiguador debe quedar en un lugar que permita cumplir los requerimientos de la norma establecida por la SAE), lo máximo a lo que se logró disminuir el valor del factor de amortiguación promedio fue a 1.36.

La rigidez obtenida para los espirales delanteros a utilizar es de alrededor de 9 N/mm, con una pre-compresión de 20mm para lograr la posición en estático definida con la geometría escogida.

3.4.2. Suspensión trasera

Para este caso, los objetivos de diseño resultan más fácil de alcanzar, ya que con una frecuencia natural mayor se puede obtener un factor de amortiguación menor, hasta el punto que el valor obtenido para el promedio es de 0.87.

La rigidez obtenida para los espirales traseros a utilizar es de alrededor de 17 N/mm, con una pre-compresión de 12 mm para lograr la posición en estático definida con la geometría escogida.

Tabla 3.1 Tabla resumen de parámetros de la suspensión del prototipo 2011.

Parámetros de la dinámica de la suspensión

Suspensión delantera

Suspensión trasera

Frecuencias Naturales (Hz) 1.21 1.44Factor de Amortiguación 1.363 0.872

Relación de recorrido (MR) 1.676 1.504Rigidez de resorte (N/mm) 8 17Recorrido del sistema (in) 8 (203.2mm) 6 (152.4mm)

Porcentaje de distribución de peso. 40 60

5.2. Medición de parámetros característicos del prototipo 2011.

5.2.1. Medición de rigidez equivalente por resortes.

Para determinar la rigidez de los resortes de la suspensión delantera y trasera usados en la validación del modelo de carro completo para el prototipo analizado, se realizará un montaje que consta de un LVDT paralelo al amortiguador delantero o trasero según sea el caso y una balanza para registrar el peso en la rueda del sistema de suspensión correspondiente. Se registrará las elongaciones en el amortiguador para distintos pesos sobre el vehículo, así, transformando esas elongaciones, en desplazamientos equivalentes con respecto al sistema de coordenadas verticales del modelo de carro completo, se podrá determinar la rigidez equivalente del resorte. Cabe destacar que para estos experimentos los neumáticos fueron inflados con una presión de 15 Psi, el cual representa un valor alto, que permite despreciar las deformaciones por peso del neumático, ya que su rigidez para un valor de presión como ése es bastante elevada.

Para transformar las elongaciones en el amortiguador en desplazamiento verticales del modelo equivalente basta con analizar el siguiente diagrama y determinar la relación entre el desplazamiento vertical de la rueda y el equivalente en el amortiguador.

La relación de movimiento (M.R. por sus siglas en inglés) se define de la siguiente forma.

M.R.= ∆X/∆ L (5.1)Donde ΔX corresponde a los desplazamientos en el caucho y ΔL se refiere a las elongaciones del amortiguador.

Y a continuación se presentan los valores para el prototipo. Tabla 5.1 Relaciones de movimiento para los sistemas de suspensión delantero y trasero.

Relación de movimiento delantera (M.R) 0.597Relación de movimiento trasera (M.R) 0.663

Se obtiene el valor para la rigidez equivalente de cada uno de los dos sistemas, que evaluadas con la siguiente ecuación permite el cálculo de la rigidez de los resorte a compresión en su eje de fabricación. Kresorte=Kequivalente/(MR)2 (5.2)

Tabla 5.2 Rigidez de resortes obtenida

Rigidez equivalente de resorte delantero (N/mm) 5.54Rigidez real de resorte delantero (N/mm) 15.55

Rigidez equivalente de resorte trasero (N/mm) 9.58Rigidez real de resorte trasero (N/mm) 21.79

Vale la pena señalar que la línea de tendencia trazada en cada una de las gráficas no fue forzada a pasar por el origen debido a que el sistema de resorte amortiguador del prototipo admite precargar el resorte para asegurar que genere la fuerza necesaria para asegurar el vehículo en la posición estática de diseño.

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