Diseño y Análisis de Suspensiones

Diseño y Análisis de Suspensiones para Vehículos de Competición.

Programa • •

Introducción a una suspensión. El medio de resorte. resorte – –

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Ubicación El paquete ganador – – – –

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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 –

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Dimensionado de resortes Dimensionado de barras estabilizadoras

Selección de características técnicas de amortiguadores

Técnicas de construcción practicas en la suspensión Bases de dinámica vehicular

¿Que es una Suspensión? • •

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Es un sistema masa-resorteamortiguador (no es ni un amortiguador. resorte ni un amortiguador) Filtro Mecánico

– Independizar ocupantes del vehículo de las vibraciones del suelo l ((comodidad). did d) – Reducir la variación de la fuerza en el punto de contacto de la rueda (tracción).

Co t o de ttransferencia Control a s e e c a de masa

– Controla la velocidad de transferencia de masa. – Controla la distribución de la transferencia adelante/atrás

El medio de resorte • • •

La función principal de un resorte es almacenar la energía energía. Esta energía es luego absorbida por el amortiguador. Los resortes se utilizan para resistir dos tipos de movimiento movimiento. – Movimiento vertical y cabeceo (resortes convencionales) – Alabeo (barras estabilizadoras)

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Para 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 ballestas • • • • •

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Esta solución ha servido para soportar la mayor 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 suspensión 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 sus propiedades rápidamente (ajuste en pista) Su constante se calcula siguiendo la siguiente formula:

Barras de Torsión • • • •

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Consisten de simples elementos de barra 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 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:

Caucho • • • • • •

Es un medio de suspensión que ha aparecido y desaparecido a través de los años Es controlable Ligero E i t una gran cantidad Existe tid d d de conocimiento en cuanto a su diseño Se puede formular de manera que actúe como resorte y amortiguador Debido a su baja deflexión se requieren mecanismos amplificadores o complicados sistemas en tracción.

Aire • • •

El aire esta alrededor de todos nosotros y es completamente gratuito Ha funcionado muy bien en aplicaciones comerciales donde se requiere un control de la suspensión. Es muy importante sin embargo, controlar: t l – –

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La temperatura La Presión

Compresor o tanque Requiere un amortiguador para que absorba la energía. Permite el desarrollo de estrategias de control y de suspensiones activas.

Aceite •

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Este método solo debe utilizarse en caso de d suspensión ió servo hid hidráulica á li 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 q que Ayrton y Senna ganó el GP de Mónaco Su principal problema es el costo de componentes hidráulicos livianos y la complejidad de las estrategias de control necesarias.

Electromagnetismo • Se fundamente en complejas estrategias de control. • Permite P it una suspensión j infinitamente ajustable. • Las soluciones actualmente existentes son muy pesadas

Video

Resortes espirales • Es el tipo de resorte mas utilizado tili d en llos vehículos hí l d de competición y de calle hoy en día • Tiene un bajo costo • Es predecible • Es liviano • Compacto • Confiable • Pueden ser constantes o progresivos

Preguntas

Dimensionado •

Para dimensionar los resortes necesarios para un carro,, es necesario distinguir p g cuales son los dos modos del cuerpo que rigen su comportamiento –

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Alabeo y movimiento vertical

Para comenzar se deben estimar para el vehículo los siguientes parámetros: – – – – – – – –

Peso (con P ( piloto il t y fl fluidos) id ) ((m)) Porcentaje del peso adelante (Dm) Trocha (T) Altura del centro de gravedad (Hcg) Ventaja mecánica deseada entre resorte y 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 resortes se realiza li mediante la frecuencia fundamental (f) del mismo • Esta debe estar entre 0.8 y 6Hz. • La frecuencia del tren trasero debe ser aproximadamente 20% mas que la l d delantera l t

Dimensionado para el movimiento vertical (resortes) •

Una vez se calculó la constante del resorte es necesario verificar su desplazamiento con el peso del carro – –

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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 aerodinámica di á i máxima á i lla suspensión ió 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), a medida que se tiene mas información durante el proceso de diseño y permitirá realizar las modificaciones pertinentes.

Dimensionado para el alabeo •

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Es muy importante saber que para resistir al alabeo intervienen tanto los resortes, como las barras estabilizadoras Se introduce un parámetro que se llama la resistencia al alabeo y es independiente adelante y atrás, este es el principal parámetro para afectar el comportamiento del carro (Nm/grado) Se determina también un parámetro llamado el gradiente de alabeo que permite definir el ángulo de alabeo en función de la aceleración lateral lateral. (grados/g)

Resistencia de los resortes.

Resistencia de las barras Estabilizadoras.

Calculo de la constante a la rueda gracias i a lla b barra estabilizadora bili d •

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La barra estabilizadora es un resorte de tipo 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 k

M δ k

Calculo del gradiente de alabeo •

Se reconoce que el centro de alabeo es el punto alrededor del cual el chasis gira en el momento de alabeo. – Se obtiene por construcción geométrica, se profundizara mas adelante.

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Según el principio de d’alembert una fuerza lateral genera una fuerza centrifuga aplicada en el centro 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 alabeo alabeo. La relación entre la aceleración lateral (a) y el alabeo θ se conoce como gradiente de alabeo.

Preguntas

Ubicación y Configuración • Existen muchos tipos de suspensión. ió • Nombradas de acuerdo a la ubicación de sus componentes. componentes • Además existen posibilidades casi infinitas de p posicionamiento de los componentes • A continuación se presentaran algunas de estas. estas

Paralelogramo deformable convencional

Suspensión en paralelogramo deformable con amortiguador en la tijera superior

Eslabonamiento multi-barra multi barra

Suspensión al interior

Pushrod

Pullrod

Monoshock con pushrod

Monoshock con pullrod

Eslabonamiento de Stohr

Nik Link Nik-Link

Discos de freno internos

Discos de freno externos

Mecanismos curiosos

Barra estabilizadora convencional

Barra estabilizadora en T

Barra estabilizadora de flexion

Preguntas

Diseño de Suspensión Externa • Suspensión p externa se llama todo lo q que hay yp por fuera de las tijeras de suspensión • Antes de comenzar a diseñar – – – – – – –

Llanta (estándar) Rin (estándar) Disco (estándar) Manzana (estándar) Rodamientos (estándar) Porta Manguetas (estándar) Mordazas de freno (estándar)

Pivote de Dirección •

El camber es la inclinación de la rueda con p a un p plano vertical,, p perpendicular p a respecto su eje. – – –

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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 p p de frenado. 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 frontal. frontal – – –

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 negativos

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El offset de pivote es la distancia entre 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.

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El ángulo de caster es el equivalente del ángulo de pivote pero en vista i t lateral l t l – Tiene un efecto beneficioso en el camber – Generalmente oscila entre 4° y 7° – El offset de caster esta determinado por el caster

Geometría de la suspensión en vista i ffrontal.l • Existen dos condiciones en las que se debe evaluar la geometría de la suspensión – Alabeo – Movimiento vertical

• T Todo d es un compromiso

• Se busca optimizar el camber en todas las condiciones. • Se busca también minimizar la variación de la trocha • Se busca minimizar el movimiento del centro de alabeo.

Como hallar el centro de alabeo

Tijeras cortas/paralelas y de igual longitud estático

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

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

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

Tijeras largas/paralelas y de igual longitud estático

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

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

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

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 desiguales l movimiento i i vertical i l

Tijeras no paralelas y de longitudes d i desiguales l alabeo l b

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

La altura del centro de alabeo • Si el centro de alabeo esta a la altura del centro de gravedad d d no h hay alabeo l b • Existen unas fuerzas llamadas “Jacking” que dependen de la altura del centro de alabeo

Diseño del sistema de direccion • Para el diseño del sistema de dirección hay tres parámetros que se deben analizar: – El ackerman – El roll steer – El bump steer

El Ackerman • Teoría desarrollada por Erasmus Darwin • Desarrollada para los coches de caballo • Busca hacer que el carro gire alrededor de un punto fijo

El “Bump Bump Steer” Steer • Trayectorias y diferentes entre tijeras y barras de dirección • Esto hace que el ángulo de dirección de la rueda varíe con el movimiento vertical • Se deben realizar simulaciones que permitan minimizar este fenómeno

El “roll roll steer steer” • Es equivalente al “bump steer” pero ocurre en el alabeo. • Se debe minimizar pero si no es posible l llllanta la t d de afuera. f – Se debe abrir adelante . – Se debe cerrar atras

Geometría de suspensión en vista lateral • Regulando g la inclinación de las tijeras en vista lateral se puede regular el movimiento del carro en aceleración/frenado • Se conoce como anticlavada y a anti sentada

Preguntas

Transferencia de masa • Existen dos tipos de transferencia de masa la masa, longitudinal y la lateral. lateral

Transferencia de masa longitudinal • Esta ocurre tanto en aceleración como en frenado frenado. • Depende de la aceleración la aceleración, distancia entre ejes y la altura del centro de gravedad

Transferencia de masa lateral • Se realiza p por tren delantero/trasero • Existen tres mecanismos – De la masa no suspendida – A través de los centros de alabeo – A 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/ resorte / pushrod/ pullrod

• Es instantánea e incontrolable

Transferencia de masa a través del centro de alabeo • Esta actúa sobre la masa suspendida y es diferente adelante / atrás • Es instantánea y produce jacking

Transferencia de masa través de resortes y barras • Depende de la rigidez de los resortes y las barras, es utilizando esta que se controla el comportamiento del vehículo.

Preguntas

Amortiguadores • Estos sirven para disipar l energía la í absorbida b bid por el resorte. • Anteriormente consistían en correas de cuero que frotaban contra piezas metálicas. • Hoy consisten en complicados sistemas hidraulicos

La física de los amortiguadores • El amortiguador digresivo, presenta la siguiente curva de fuerza vsvelocidad

Alta velocidad Baja velocidad

La especificación de los amortiguadores • La especificación de los amortiguadores se realiza utilizando la amortiguación relativa.

Preguntas

Técnicas de construcción de suspensión • En el momento de soldar los componentes de la suspensión es sumamente importante

Manejo de las esferas • Las esferas de la parte externa de las tijeras tijeras, idealmente deben estar empotradas para resistir mejor a los esfuerzos de flexión

Ajuste de camber • Se recomienda que este se haga en el lado interno de las tijeras mediante un montaje del tipo mostrado

Preguntas

Introducción a la dinámica vehicular • “Aparte p de las fuerzas aerodinámicos, las llantas generan las únicas fuerzas externas sobre el vehiculo.” • Suspensión debe ser diseñada para maximizar la tracción tracción.

Flat = f ( Fvert , γ , α )

Slip angle • No es un derrape. p • Es la diferencia entre la dirección en la que apunta el rin y la que apunta el parche de contacto. p • Aumenta la tracción al aumentar hasta un punto donde se cae.

Fuerza Vertical • Como la fricción la f fuerza que ejerce j 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 tracción • La máxima aceleración que p una llanta es capaz de entregar es la misma en todas las di direcciones. i • Se conoce como circulo i l d de ttracción. ió

Preguntas

Derrotero de puesta a punto Como modificar el vehículo de acuerdo a su comportamiento. Tomado de “Engineer in your pocket” de Caroll Smith pocket

Inestabilidad en la línea recta (general) • Divergencia en tren trasero – Debido a error de alineación – Debido a bump steer

• Falta de apoyo aerodinámico trasero • Exceso de convergencia o divergencia en llantas • Falla mecánica en elemento de suspensión o chasis

Inestabilidad en la línea recta (en la aceleracion) • Fallas en diferencial • Falta de convergencia trasera • Deflexión D fl ió en elementos l t d de chasis/suspension • Diferentes radios de llantas • Pesos diferentes a ambos lados

Inestabilidad en la línea recta i imperfecciones f i d de pista i • • • • • •

Exceso de Ackerman Exceso de convergencia/divergencia C t dif Caster diferente t en ambos b llados d Ajuste asimétrico de amortiguadores Pesos asimétricos Mucha resistencia al alabeo adelante

Inestabilidad en el frenado • Tren delantero derrapa p – Exceso de frenado en el tren delantero – Exceso de fuerza de extensión en amortiguadores delanteros delanteros.

• Tren trasero derrapa – – – –

Exceso de frenado atrás Falta de recorrido en extensión tren trasero Pesos descompensados E Exceso d de ffuerza de d extensión t ió en amortiguadores trasero.

Vehículo pesado y falto de respuesta • Presiones de llantas demasiado bajas • Resortes y barras muy blandos • Exceso E de d ffuerza aerodinámica di á i ((poco resorte) • Si la aceleración a alta velocidad es lenta, el problema puede ser un exceso de alerón trasero.

Vehículo responde muy rápidamente á id yd derrapa fá fácilmente il • Exceso de presión de llantas • Exceso de fuerza de compresión en amortiguadores g • 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/divergencia adelante • Recorrido de extensión delantero insuficiente • Falta de fuerza de compresión en el amortiguador • Falta de resistencia al alabeo adelante • Posición P i ió d de centros t d de alabeo l b iinadecuada. d d

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 p positivo dinamico en llanta externa

Subviraje en la mitad de la curva • • • • • •

Exceso de presion en llantas delanteras Exceso de resistencia al alabeo E Exceso de d ackerman k Falta de camber dinámico adelante Falta de trocha delantera Falta de recorrido de suspensión

Subviraje a la salida de la cuva • Curvas lentas – Aceleración muy rápida por parte del piloto – Prolongación del caso pasado

• Curvas rapidas – Falta de apoyo aerodinámico delantero – Trocha muy angosta

Subviraje asimétrico • Pesos desbalanceados • Caster desbalanceado • Camber C b d desbalanceado b l d

Sobreviraje a la entrada de la curva • • • • • • •

Balance de frenos inclinado hacia atrás Resistencia al alabeo trasera muy alta F Frecuencia i ttrasera muy alta lt Centro de alabeo trasero muy alto Falta de apoyo aerodinámico trasero Daño en amortiguador trasero Daño en barra estabilizadora delantera

Sobreviraje en el medio de la curva • • • •

Exceso de presión de llantas trasera Exceso de resistencia al alabeo trasera S Suspensión ió ttrasera esta t llegando ll d all ttope Barra estabilizadora trasera suelta

Sobreviraje a la salida de la curva • • • •

Problemas en el diferencial Exceso de geometria anti-sentado Exceso de resistencia al alabeo trasera El carro se cae sobre la rueda trasera externa • Exceso de camber negativo trasero • Falta de convergencia trasera dinamica • Falta de apoyo aerodinamico

Preguntas

Gracias