How Design Formula One

Suspensiones F1


Resortes Amortiguadores              jasf1961@wordpress.com

Los amortiguadores convencionales, en un monoplaza, irían fuera del carenado y empeorarían su aerodinámica.

Por tanto se sustituyen por cilindros de gas y las barras estabilizadoras son muy pequeñas y pueden diseñarse a torsión, que es lo habitual, pero también se pueden diseñar a flexión.

Un resorte o muelle responde a un movimiento periódico y un amortiguador a un movimiento periódico amortiguado.

La fuerza de los muelles Fm, varía linealmente con la elongación x (recorrido):                  Fm = f (x) = – K x

La fuerza de un Resorte de Gas (no confundir con un amortiguador) varía exponencialmente con la elongación:

F = P A Rcγ  (no es lineal)      (calculado como una compresión adiabática – sin transferencia de calor-)

Suspension Push RodSuspension Pull-rod

 

La diferencia entre un amortiguador de gas y un resorte de gas es que en el primero el gas no fluye libremente ya que se ve obstaculizado por placas con orificios que hacen que retorne a la posición de equilibrio lentamente (amortiguación) cuando cesa la fuerza perturbadora. En cambio en un resorte de gas o en un muelle, teóricamente y suponiendo un proceso isoéntropico y cuasiestático, el resorte gas / muelle se tiraría toda la vida rebotando, es decir, no hay amortiguación o ésta es despreciable.

Las barras estabilizadoras, en una curva, disminuyen la inclinación (balanceo) del monoplaza, transfiriendo fuerzas de la rueda más cargada a la menos cargada del mismo eje, favoreciendo la estabilidad del monoplaza a costa de empeorar la comodidad del piloto (nada es gratis), es decir, rigidizan el F1. Por tanto, la primera aproximación de la dinámica del monoplaza la haremos sin tener en cuenta el efecto de la suspensión:

(resortes + amortiguadores + barra estabilizadora) =>  Monoplaza Rígido

 

Para diseñar resortes (muelle / gas) debemos decidir:

  • La fuerza de diseño máxima que soportará, la cual calcularemos en Dinámica haciendo varios supuestos
  • La carrera o recorrido (elongación) máximo, la cual decidimos teniendo en cuenta que cuanto mayor sea más se balanceará, cabeceará y pivotará el monoplaza.

 

A mayor fuerza de diseño y menor carrera, la suspensión será más dura, más eficaz, en general, pero peor en la absorción de los baches y más incómoda.

Diseño de resortes                  izquierda de muelle                         derecha de gas                           vemos los cambios al variar los datos de diseño:

jasf1961 F1 Suspensiones Diseño Resorte Muelle

jasf1961 F1 Suspensiones Diseño Resorte Gas Fuerza Precompresión

jasf1961 F1 Suspensiones Diseño Resorte Gas Fuerza Precompresión

 

jasf1961 F1 Suspensiones Diseño Resorte Muelle

 

jasf1961 F1 Suspensiones Amortiguador Diseño Barra Estabilizadora

jasf1961 F1 Suspensiones Amortiguador Diseño Barra Estabilizadora

 

jasf1961 F1 Suspensiones Diseño Amortiguador

jasf1961 F1 Suspensiones Diseño Amortiguador

 

Para una configuración de diseño dada y unos valores concretos de las Fuerzas Normales Instantáneas soportadas (Pesos Instantáneos sacados de la Dinámica),

la acción de los resortes sería       ( si las Fuerzas Normales Instantáneas soportadas permanecieran constantes, cosa que no ocurre):

Amortiguador Funcionando

Amortiguador Funcionando

Los circuitos se intentan hacer sin baches pero nada es perfecto en esta vida, así que, por este motivo y otros como las velocidades máxima y media del circuito, y número de curvas a una determinada velocidad, se tienen distintas configuraciones de las suspensiones.

Un monoplaza, en parado, tiene una determinada altura entre el fondo plano y el asfalto, que va disminuyendo a medida que aumenta la velocidad (la Down Force aumenta con el cuadrado de la velocidad:  FD = f (v^2) y comprime la suspensión.

Dado que dicha altura determina la eficiencia del efecto suelo, debemos calcular la altura ideal a una determinada velocidad y en función de ello (y otros factores) diseñar las suspensiones.

Cuanto menor sea esta altura, más rápido circulará el aire entre el fondo plano y el asfalto y según Bernoulli, menor será la presión bajo el monoplaza, y mayor será la Down Force, que adquiere un valor máximo en torno a unos 80 mm, según un artículo de Internet, y para alturas menores, disminuye FD debido a la viscosidad del aire (rozamientos).

En fin, el Set Up del coche es complicado en el circuito y desconcertante a nivel teórico: las previsiones del ingeniero no se corresponden con las sensaciones del piloto…

Por tanto vamos a hacer un análisis sencillo, para ver por dónde van los tiros.

Los resortes de Gas los calculamos suponiendo que la compresión / expansión son adiabáticas (sin transferencias de calor), dado que las variaciones de presión son relativamente pequeñas y suceden rápidamente, no habiendo apenas tiempo para la transferencia de calor:

Compresión Adiabática:  ΔQ = 0       =>      P1 V1^ϒ = P2 V2^ϒ

Relación de Compresión  Rc = V1 / V2  =>          P2 / P1 = Rc^ϒ        = >  Kg (N/m)  varia

En un muelle la Km = cte pero en el resorte de Gas Kg ≠ cte (varía)

Kg varía con la presión y hay que calcularla para cada instante.

A la izquierda se calcula la suspensión con Muelles y a la  derecha con Resortes de Gas.

Como siempre en ROJO los DATOS  y en NEGRO las Fórmulas que se recalculan automáticamente:

Resortes

Resortes

Barra Estabilizadora

Barra Estabilizadora

Suspensión

Suspensión

Fuerzas Normales y Amortiguación

Fuerzas Normales y Amortiguación

 

Vídeo de la hoja de cálculo Excel Suspensión y Amortiguadores:

https://www.youtube.com/watch?v=YgGD-Y7ExXE

 

 

Geomatría de las Suspensiones                     CENTRO DE BALANCEO ( Roll Center )

Cuando un coche gira la fuerza centrífuga que actúa a través del centro de gravedad produce una transferencia de pesos que comprime las suspensiones del lado exterior de la curva.

La masa suspendida (el chasis del coche) tiende a balancearse girando alrededor de un punto imaginario que es el centro de balanceo (roll center).

Si unimos el Centro Instantáneo de Rotación ( CIR ) de la rueda izquierda con el centro de su huella obtendremos una línea.

Repetimos esta operación con la rueda derecha.

El corte de estas dos líneas nos determina otro punto: el Centro de Balanceo ( CB ).

CIR Centro Instnatáneo de Rotación y  Centro de Balanceo

CIR Centro Instnatáneo de Rotación y
Centro de Balanceo

Si los triángulos son paralelos, como el CIR está infinitamente lejano, trazaremos una línea paralela a estos pasando por el centro de la huella.

El CB es el punto alrededor del cual rota el CHASIS cuando comprimimos una de las suspensiones ( la RUEDA gira alrededor del CIR ).

Cada eje tiene su propio CB y pueden ser diferentes entre ellos.

La unión de los CB determina el eje de balanceo, que es el eje alrededor del cual rota el vehículo en su conjunto.

Ya hemos estudiado que podemos considerar que las fuerzas sobre el vehículo pueden aplicarse en el CG.

Como el monoplaza rota alrededor del CB, la distancia entre el CG y el CB determina el momento de balanceo.

– Si el CG y el CB están en el mismo punto, una acelereación lateral no producirá ninguna inclinación lateral en el chasis.

– Si el CG está más alto que el CB ( lo más habitual ), una aceleración lateral producirá una rotación del chasis hacia el exterior de la curva.

Cuanto mayor sea esta distancia, mayor será la inclinación.

– Si el CG está más bajo que el CB ( poco habitual ), una aceleración lateral producirá una rotación del chasis hacia el interior de la curva.

Cuanto mayor sea esta distancia, mayor será la inclinación.

A primera vista parecería deseable tener un CB a la altura del CG o por encima de él para evitar el balanceo del chasis hacia el exterior en las curvas.

Sin embargo, un CB elevado comporta que la fuerza lateral que ejerce el neumático exterior a través de las suspensiones tenga una componente vertical hacia arriba ( jacking ) que levanta el chasis, lo cual es muy negativo.

swing_axle

swing_axle

La línea imaginaria que une los centros de balanceos delantero y trasero se llama eje de balanceo (el centro trasero suele estar más alto).

La distancia D es la fuerza de palanca usada por la fuerza centrífuga para balancear a través del centro de gravedad CG aplicando el par total de balanceo.

Este par se puede modificar actuando sobre la dureza de muelles y estabilizadoras.

Eje de Balanceo

Eje de Balanceo

TRANSFERENCIA LONGITUDINAL
Cada vez que un coche hace un movimiento en aceleración, retención, frenada, giro, etc hay una transferencia de pesos que podemos ver en la compresión de las suspensiones. Puede ser longitudinal (p. ej. al acelerar) transversal (al girar) o combinada (p.ej. al coger una curva frenando o acelerando).
Como hemos visto el coeficiente de fricción de los neumáticos depende del peso incidente sobre ellos y que la adherencia también es proporcional al peso, por ello hay que desarrollar las suspensiones para optimizar el comportamiento en las distintas condiciones variables de transferencia.
Al acelerar se transfiere peso hacia el eje trasero, el delantero se descarga y hay menos capacidad de tracción, por eso los tracción trasera tienen mejores condiciones de aceleración, más cuando el terreno es hacia arriba.
Al frenar sucede lo contrario, el tren trasero se descarga y el delantero se comprime además cambia la geometría de suspensiones, por eso la frenada es mayor en el tren delantero.
Para disminuir estos efectos se diseñan las suspensiones con efecto anti hundimiento (anti squat, anti dive). Para el hundimiento longitudinal se diseñan las articulaciones con un ángulo que ayude a controlar estos movimientos en función del centro de gravedad CG.

TRANSFERENCIA TRANSVERSAL
Al tomar una curva la fuerza centrífuga hace que haya una transferencia de peso hacia la rueda del exterior de la curva. Es directamente proporcional a la fuerza centrífuga y al centro de gravedad e inversamente proporcional a la vía (anchura entre centros de ruedas) del vehículo.
Esta transferencia se manifiesta por el balanceo de la carrocería y hace que los neumáticos del interior de la curva pierdan capacidad de adherencia lateral, tracción y frenada, y los del exterior aumentan la adherencia.
El balanceo produce una modificación de los ángulos de suspensión que hace que la pisada del neumático no sea la ideal.
La transferencia de pesos lateral no está producida por el balanceo sino al revés.
Es la suma de los dos ejes pero en cada eje es diferente, para controlarlo hay que tener en cuenta esto para conseguir el efecto deseado en combinación con la transferencia longitudinal para controlar el paso por curva con frenada, retención, baches, etc.
Para controlar el balanceo se recurre a: control del centro de gravedad, variación de vía, dureza de los muelles y sobre todo la barra estabilizadora.
En un coche de competición no es tan importante pero en un turismo es necesario conseguir un equilibrio entre balanceo y confort.

La barra estabilizadora (ANTI ROLL BAR) es una barra de torsión en acero (en competición se pueden usar de fibras) que une las suspensiones de ambos lados del mismo tren. Puede ir unida a la suspensión por tirantes, bieletas o directamente y al chasis por silent-blocks.
Al comprimirse un lado de la suspensión se torsiona transfiriendo parte del peso a la otra rueda disminuyendo el balanceo.

 

Centro de Balanceo CIR

Masa Suspendida y no Suspendida

Masa Suspendida y no Suspendida

Suspension Push Rod

Suspension Push Rod

Suspension Pull-rod

Suspension Pull-rod

Push-rod vs Pull-rod

Push-rod vs Pull-rod

Push Pull

Push Pull

Angulo de Deriva

Angulo de Deriva

Fondo Plano

Fondo Plano

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