CARACTERÍSTICAS DEL VEHÍCULO

Introducción Antes de proceder al estudio de los elementos objeto de diseño en este proyecto, es fundamental conocer las características del vehículo en cuestión que nos vienen dadas y que “a priori” no podremos modificar, exceptuando pequeños cambios para adaptar nuestro sistema pero que sobretodo no deben de influir en el comportamiento y funcionalidad de las demás partes del vehículo que ya nos vienen prediseñadas. 

Nuestro diseño, ha de ser compatible con los parámetros ya diseñados por otros departamentos para garantizar la funcionalidad total del vehículo sin modificar ningún parámetro desarrollado con anterioridad. Todas las dimensiones y características tienen como restricción la regulación técnica de la F1 2011, creada por la FIA (Federation Internationale de l’Automobile), normativa que se seguirá en este proyecto para realizar el diseño de la suspensión. 

Para nuestro estudio, se dividirá el vehículo en 3 partes fundamentales: 

• Parte suspendida: Consiste en la parte del vehículo que contiene toda la estructura que reposa en la suspensión, o sea, el chasis o bastidor más la carrocería (con todos sus elemento internos), o bien la carrocería sólo si ésta es autoportante.
• Ruedas: Se entenderá como “ruedas”, todos los elementos que transmiten los esfuerzos que provienen del asfalto a los brazos de suspensión y viceversa, se empleará el nombre “rueda” a todo el conjunto formado por: Neumáticos, llantas, buje, disco de frenos, pinzas de freno, rodamientos, tornillos, elementos de unión, sensores, toberas de refrigeración y demás elementos constituyentes de las mismas.
• Suspensión: Es el sistema del automóvil en el cual se unen las ruedas por una parte, con la carrocería por la otra, controlado por un elemento elástico (muelle) y otro disipativo (amortiguador), todo esto unido mediante una geometría sólida, los brazos de suspensión, los cuales dotan a las ruedas de un movimiento controlado y restringido respecto a la carrocería.

El vehículo 

Cuando hablamos de nuestro vehículo, nos referimos a un automóvil de competición monoplaza, un monoplaza es un vehículo de carreras que tiene las ruedas al descubierto, diseñado especialmente para competiciones de automovilismo (en particular automovilismo de velocidad). El habitáculo está hecho lo menos ancho posible para reducir la superficie frontal y mejorar la aerodinámica. 

Actualmente, los monoplazas más potentes suelen utilizar alerones que empujan el automóvil contra el suelo, aumentando la adherencia de los neumáticos (efecto que hay que tener muy en cuenta a la hora de diseñar la suspensión). 

Debido a su bajo peso y excelente aerodinámica, los monoplazas son los automóviles de carreras más rápidos en circuitos grandes. Esto también los hace difíciles de maniobrar, porque las reacciones ante frenadas, aceleraciones y virajes son más fuertes. 

Debido a la falta de protección de las ruedas, los monoplazas suelen ser más débiles en choques o en contacto con rivales que otros automóviles de carreras. También son peligrosos si las ruedas de los monoplazas entran en contacto, porque el vehículo puede levantar el vuelo y volcar.

Objetivos de la suspensión:

La finalidad de la suspensión de un Fórmula, ya sea F1, F3000 o cualquiera de sus variantes, es que las ruedas mantengan su contacto con el suelo, en la mejor posición y el mayor tiempo posible, independientemente de las irregularidades que nos podamos encontrar en la pista, e independientemente de la velocidad a la que vayamos, al menos, ese es uno de los objetivos primordiales que se intentan cumplir con el diseño. 

Resulta muy difícil alcanzar este objetivo que, por otra parte, es el mismo para un automóvil de serie, que para una furgoneta, etc. En un coche de calle, la diferencia reside en el carácter más o menos deportivo, más o menos confortable, con que se quiera dotar al modelo. 

Para centrar conceptos en cuanto a frecuencia de oscilación, (cuantificada en Hz), comprendida como el intervalo natural al que la rueda puede rebotar (despreciando los amortiguadores y el rozamiento de la suspensión) de tope a tope, diremos que para un coche de serie que busca comodidad será de un máximo de 1Hz, para un turismo preparado para competición de 2 a 3 Hz, y para un F1 con efecto suelo de los años 1982-83 se situaría en torno a 6-7 Hz y unas aceleraciones en curvas medias de 4Gs, muy lejos de cualquier recomendación médica. 

Finalmente, observando de forma más precisa las necesidades que concurren en un coche de competición, y que la suspensión debe satisfacer, podríamos enumerarlas como sigue a continuación:

• Absorber rápidamente las variaciones de la superficie de la pista. 
• Mínimo peso en la masa no suspendida. 
• Control máximo de las variaciones de los ángulos y de la vía. 
• Mantener constante la distancia del eje de balanceo al cdg. 
• Mantener constante la distancia entre la carrocería del vehículo y la pista para no perjudicarla carga aerodinámica. 
• Ser compatible su montaje con el resto de los elementos aerodinámicos y del chasis.

En cuanto a configuraciones de suspensión, podemos citar dos tipos de configuración básica: 

-Suspensiones blandas: Esto implica mayor agarre pero también mayor tiempo de reacción ante los cambios de dirección o de aceleración/frenada. El coche se vuelve perezoso ante nuestras órdenes. 

-Suspensiones duras: Con ello el coche responderá instantáneamente a nuestras órdenes, pero al absorber peor las irregularidades, las ruedas estarán un mayor tiempo sin tracción (lo cual no implica que no estén en contacto con el suelo) al someterlas a esfuerzos extremos

Hay que tener en cuenta siempre, que a altas velocidades, los alerones ejercen una enorme carga sobre el monoplaza. Ese peso extra, cuando usamos chasis a poca altura del suelo, podría hacerlo rozar contra la pista. Obviamente la solución para evitar esto sería poner una suspensión más dura, que no ceda tan fácilmente a ese peso extra o aumentar la altura de chasis.

Especificaciones técnicas del vehículo:

En la tabla 1.1 se presentan las especificaciones técnicas fundamentales para el desarrollo de la suspensión del vehículo. Muchos son los parámetros que definen un automóvil de competición, pero en nuestro caso, prescindiremos de los que no nos son necesarios. Las especificaciones técnicas se han tomado incluyendo el peso del piloto y con todos los depósitos de líquidos llenos.

Aerodinámica 

Cuando hablamos de aerodinámica hablamos de procesos a “altas velocidades”. Con esa visión ampliada uno puede incluir cualquier vehículo, en especial la F1. 

Normalmente los coches de F1 alcanzan velocidades de hasta 330km/h en algunos circuitos, de hecho, antes del recorte de prestaciones del motor, velocidades de 370km/h eran alcanzables en las rectas de algunos circuitos. Por consiguiente, la media de velocidad de estos bólidos no es inferior a los 160km/h. No hay duda de que la aerodinámica juega en este juego, con un papel muy importante, y aunque parezca contradictorio, hicieron falta casi 20 años para que los ingenieros de la F1 se dieran cuenta de la gran importancia que tenía la aerodinámica. 

Por ello, los principios que permiten volar a un avión son fácilmente aplicables a un coche de carreras. La única diferencia se encuentra en la forma en la que el ala o alerón está montado, justo al revés produciendo el efecto llamado “downforce” en vez de sustentación. 

Cabe resaltar, que al tema aerodinámica se le dedicará un pequeño apartado para diseñar los elementos de la suspensión de la manera más optimizada posible, a pesar de ello, en este capítulo se hablarán de conceptos fundamentales que afectan directamente a la dinámica de nuestro vehículo.

Elementos de bancada de la suspensión 

Para diseñar con conocimiento de causa cualquier elemento mecánico, resulta casi imprescindible conocer dónde y cómo irá anclado a su correspondiente bancada. En nuestro caso, la bancada de la suspensión delantera será la carrocería del vehículo, y la bancada de la suspensión trasera será la caja de cambios y el diferencial.

Soporte trasero

Desde los años 60, los ingenieros empezaron a utilizar como soporte de anclaje trasero de suspensión el conjunto caja de cambios más diferencial, los cuales empezaron a realizar la función de elemento estructural además de transmisor de potencia. Este hecho cambió radicalmente el diseño y el planteamiento de las cajas de cambios de entonces, y, posteriormente, dichos elementos empezaron a soportar otras cargas como por ejemplo a dia de hoy, el “down force” del alerón trasero. 

Una caja de cambios no es más que, como su nombre indica, una caja cuya finalidad consiste en transmitir la potencia procedente del motor a las ruedas (intentando desatar las mínimas pérdidas mecánicas posibles), pero cambiando las revoluciones de giro y el par de uno a otro. Independientemente del tipo de cambio de marchas del cual estemos hablando, (manual, automático, hidráulico, con válvulas MOOG etc.) la misión fundamental del mismo siempre será la misma. 

En cuanto al diferencial, este es un elemento mecánico que permite, que las ruedas, derecha e izquierda de un vehículo giren a revoluciones diferentes, según éste se encuentre tomando una curva hacia un lado o hacia otro. Cuando un vehículo toma una curva, por ejemplo hacia la derecha, la rueda de este mismo lado recorre un camino más corto que la rueda izquierda, ya que esta última se encuentra en la parte exterior de la curva. La misión del diferencial, que en su interior consta de un conjunto de engranajes dispuestos en forma de “U” es la de adecuar la velocidad de cada rueda (hablamos de ruedas motrices siempre) a la velocidad de paso por curva, para evitar que, en el hipotético caso de no existir diferencial, una de las ruedas arrastrara a la otra al girar ambas a la misma velocidad angular. 

Explicados ambos conceptos, ya podemos proceder a estudiar la relación entre la suspensión y la caja de cambios. 

Como ya se ha dicho, en la mayoría de diseños, de igual manera que en el nuestro, la suspensión irá anclada a la caja de cambios más diferencial. Esta nos viene prediseñada por el departamento correspondiente, y la tarea fundamental del autor del proyecto consiste en diseñar los elementos de anclaje que unen la suspensión con el vehículo. Como características del conjunto caja de cambios (así se denominará a partir de ahora el conjunto formado por la caja de cambios y el diferencial), se tomará esta, como totalmente rígida e indeformable, por lo que para diseñar los anclajes, se tomarán estos como fijos a unos anclajes de bancada indeformables. 

Los anclajes de la parte suspensión sí se tomarán como no rígidos y deformables, por lo que se calcularán sus solicitaciones pertinentes y se comprobará que cumplan los criterios de resistencia asignados.

La geometría de la caja de cambios es fundamental para poder realizar el diseño óptimo de la suspensión, en la figura 1.1 se aprecia una vista en 3D del conjunto.

Hay que tener muy en cuenta que la suspensión trasera es la que une las ruedas motrices con el vehículo (en nuestro caso, tracción trasera), por lo tanto, tiene que haber un espacio suficiente entre los brazos de suspensión para alojar los palieres encargados de transmitir la potencia del diferencial a las ruedas. 

El alojamiento de la caja en nuestro vehículo también es fundamental, en la figura 1.2 se ve su posición respecto a la línea de referencia del vehículo y el eje trasero del mismo. 

Las dimensiones en detalle de la caja de cambios se encuentran en el apartado Planos.

Soporte delantero En cuanto al sistema de suspensión delantero, este va anclado directamente a la carrocería. En el sistema de suspensión trasero, disponíamos de un sólido rígido considerable (la caja de cambios) en el cual fijar los elementos de suspensión, pero, en la zona delantera, la única estructura disponible, y con unos valores de rigidez y resistencia aceptables es la propia estructura de la carrocería, concretamente anclaremos la suspensión a la parte frontal del llamado “cockpit” (cuya traducción podría entenderse como habitáculo del piloto) que es justo la parte de la carrocería que también conecta con el cono frontal. 

El cono frontal no puede ejercer de ninguna de las maneras como bancada de la suspensión, ya que este tiene que poder ser desmontado de manera inmediata en carrera en caso de haber sufrido daños que puedan perjudicar los tiempos por vuelta correspondientes. Estamos limitados por tanto, a diseñar los anclajes de suspensión en la parte frontal del “cockpit”. 

La normativa exige que, por motivos de seguridad, exista una zona llamada Célula de seguridad o “Survival Cell”, esta zona, en caso de impacto, tiene que quedar indeformable para proteger al piloto y a la vez, que pueda salir del vehículo de forma rápida y sencilla. La célula de seguridad por tanto, nos limita la zona de anclaje y alojamiento de la suspensión, para ser más exactos, ningún elemento de la suspensión tiene que estar alojado dentro de esa zona. En la figura 1.3 se pueden ver la posición de la parte frontal del “cockpit” respecto al vehículo es decir, donde irá anclada la suspensión delantera.

Conjunto rueda 

Como bien es sabido, la suspensión conecta las ruedas de un vehículo con la estructura o chasis de este, por lo tanto, los brazos deberán de ir debidamente anclados a las ruedas. 

Como ruedas, se pueden interpretar varios elementos, así que conviene aclarar que se entiende con dicho nombre en este proyecto. Para un usuario no familiarizado con el automovilismo, puede entender el concepto rueda como lo que técnicamente sería un neumático, otros tendrán la idea de rueda como la llanta y el neumático, pero aquí, en este trabajo, tomaremos como conjunto rueda al conjunto de elementos formados por: Neumático, llanta, buje, rodamientos, pinza de freno, disco de freno y mangueta. 

Dentro del conjunto rueda podemos hacer dos tipos de clasificación muy claras, las ruedas delanteras, y las ruedas traseras. 

La diferencia fundamental entra ambos tipos, en nuestro vehículo radica en que la rueda delantera tiene la función de dirección del vehículo, lo que permite a las mismas girar según el plano vertical dependiendo de las ordenes del piloto, y las traseras tienen la función de ruedas motoras, es decir que transmiten la potencia del motor directamente al asfalto, lo que hace que concluyamos que los elementos de unas y otras sean diferentes. 

En el caso de nuestro vehículo, a ser tracción trasera, los anclajes de las ruedas posteriores deben de ser fijos, permitiendo a la suspensión trabajar pero trabando la rueda para que no gire.

En el caso de los anclajes a las ruedas delanteras, estos deben de permitir el giro a la misma para poder variar el ángulo de dirección a placer del conductor. 

En el presente proyecto no se diseñará ningún elemento del conjunto ruedas, solamente los anclajes de unión de la suspensión a las manguetas correspondientes.

automotriz contenido - ingeniería mecánica