3.3.1. Convergencia
Es el ángulo que forman las prolongaciones de los ejes longitudinales de los neumáticos, tanto delanteros como traseros, con el eje longitudinal del coche. Se mide en milímetros, en un plano paralelo al suelo que pasa por el centro de las ruedas del mismo eje,
e
l valor de la convergencia oscila entre: ±1 y +5 mm10Convergencia Positiva “Toe in”
Cuando las ruedas están cerradas en su parte delantera.
Figura 3.23. Convergencia positiva
Convergencia Negativa “ Toe out”
Cuando las ruedas están cerradas en su parte trasera.
Figura 3.24. Convergencia negativa
Anomalías en el ángulo de convergencia
Un exceso de convergencia provoca un desgaste excesivo en la parte exterior de los neumáticos del mismo eje. La falta de convergencia provoca un desgaste excesivo en la parte interior de los neumáticos del mismo eje.
Figura 3.25. Anomalías en convergencia
Además el ángulo de convergencia, condicionan la posición del centro instantáneo de rotación del vehículo y, por tanto, su comportamiento dinámico.
La extensión del cambio de convergencia dinámico depende de la elasticidad de la suspensión y de sus brazos de guiado, así como, del brazo de palanca transversal de cada rueda.
3.3.2. Caída “Camber”
Es el ángulo de inclinación del neumático con respecto al plano perpendicular a la superficie de la calzada. Un cierto ángulo negativo de camber, aumenta el agarre del neumático en curvas, y un ángulo positivo, hace que haya cierta pérdida de adherencia.
Figura 3.27. Caida negativa (verde) y caída positiva (roja)
En la figura 3.28 indica cómo aumenta el coeficiente de fricción de un neumático para ciertos ángulos de caída “camber”, se puede ver que el máximo se encuentra entre -1º y -2º de caída para unos neumáticos concretos. Este comportamiento puede variar en función del tipo de neumático, presión de inflado, temperatura, etc.
Figura 3.28. Camber vs tire cf11
El ángulo de caída es importante ya que define la inclinación con que el neumático se apoya en el suelo y por lo tanto la cantidad de goma de la banda de rodadura que va estar en contacto con el suelo.
Variación del ángulo de caída
El ángulo de caída se modifica con el movimiento vertical de la suspensión. En la mayoría de las suspensiones su tendencia es a disminuir cuando la suspensión se comprime.
Figura 3.29. Variación del ángulo de caída vs oscilación de suspensión
Efectos principales:
Durante la circulación en curva, el ángulo de caída sufre la misma variación que el balanceo de la carrocería, tendiendo a hacerse más positivo en las ruedas exteriores y disminuyendo en las interiores.
Las ruedas exteriores se comprimen debido a la transferencia de carga y se compensan los dos efectos (compresión de la suspensión y balanceo de la carrocería).
En las ruedas interiores también se produce una compensación entre la extensión de la suspensión y el balanceo de la carrocería.
El efecto final que gobierna el eje es el conseguido en la rueda exterior ya que es la que mayor carga vertical soporta y por lo tanto mayores esfuerzos genera
3.3.3. Ángulo de salida
También llamado de inclinación “king pin” en inglés, es el ángulo que forma el pivote o eje de la dirección con la vertical, oscila entre (+4º 0’ y +14º 30’)
Figura 3.40. Ángulo de salida “King Pin”
Prolongando la línea del pivote hasta su intersección con el suelo se puede ver que, si este punto está situado entre el centro geométrico de la elipse de contacto y el exterior del coche, el ángulo será negativo, y si es hacia dentro, positivo.
Es obligado en los coches de serie con objeto de aproximar la huella de contacto al punto donde se considera aplicada la fuerza normal de esa rueda, con lo que se evita así un desgaste excesivo de rodamientos y manguetas. Igualmente, la distancia d entre esos dos puntos será positiva si está situada de la mitad de la huella de contacto hacia dentro, y
negativa si es hacia fuera.
En los coches de competición, donde el preservar los rodamientos de un desgaste prematuro no es primordial, el hecho de proporcionarle ángulo de salida a la dirección viene condicionado por la importancia que tiene en el comportamiento dinámico del coche, sobre todo en momentos de frenada o tracción.
Cuando el ángulo de salida es positivo, en el momento de la frenada el par de fuerzas producido en cada neumático por la fuerza de rozamiento y el peso del vehículo, tiende a desestabilizar el coche por tender a abrir la dirección.
Figura 3.42. El neumático en su giro baja por debajo de la cota cero
Además el ángulo de salida negativo al hacer que la rueda describa un plano que interseca al de la cota cero, eleva la parte delantera del coche produciendo, cuando se suelta el volante, la retornabilidad de la dirección a la posición de equilibrio como muestra la figura 3.41. El esfuerzo necesario para mover el volante está condicionado por este ángulo que, en función del peso que gravita sobre el tren delantero, puede llegar a ser importante.
El que resta entre el de salida y el de caída es el ángulo incluído. Si la rueda tiene además un ángulo de caída, habrá que sumarlo al de salida si es positivo (o restarlo si es negativo), para saber el valor exacto de éste.
Figura 3.43. Ángulo incluido
3.3.4. Ángulo de Avance “King-pin axis”
El ángulo de avance es el formado por la línea de mangueta, mirada de perfil (lateralmente), con la vertical. Se aprecia claramente en las motos o bicicletas, ya que es el que forma hacia delante el pivote de dirección con la línea imaginaria vertical. Se mide en grados, minutos. o incluso mm de distancia entre el punto de intersección con el suelo y el punto medio de la huella de contacto del neumático con él. El valor del ángulo recomendado oscila entre: -1º y 5º para tracción delantera y 7º y 12º para tracción trasera.
El desequilibrio entre los ángulos de avance derecho e izquierdo provoca inestabilidad en ruta y en la frenada. El ángulo de avance y el de salida son los ángulos que caracterizan el par de reversibilidad de la dirección.
Acentuando lo anterior, el ángulo de avance proporciona en la geometría de la dirección un aumento del de caída cuando la giramos, lo cual hace que el vehículo considerado se comporte de muy diferente forma según el ángulo del que se haya partido en estático. Dentro de los valores aconsejados por el fabricante de los neumáticos y del definido por el del coche, en la medida que se administre adecuadamente los ángulos dados al tren delantero, se conseguirá el comportamiento adecuado para que el coche sea más del gusto del piloto, haciéndolo más rápido. En general, se procura que el valor del ángulo de avance sea el mínimo necesario para que el rozamiento que se produce en línea recta no reste excesiva velocidad.
Lanzamiento
La distancia longitudinal entre el punto de corte de la prolongación del eje de pivote con el plano del suelo y el centro de la huella de contacto del neumático se conoce como lanzamiento.
El diámetro del neumático y el ángulo de avance determinan el valor del lanzamiento. Para el mismo avance al aumentar el diámetro del neumático se aumenta el lanzamiento.
El lanzamiento es la cota más importante de la dirección para generar el par de reversibilidad y el efecto de auto-guiado del vehículo.
A mayor valor del lanzamiento el vehículo es más estable en línea recta y más perezos para entrar en las curvas.
3.3.5. Centro de Gravedad
Se denomina Centro de Gravedad (CG) al punto donde se puede considerar concentrada toda la masa del coche a efectos de cálculo. De su situación, tanto respecto al suelo (altura del CG) como a lo largo del eje longitudinal del coche, va a depender en gran manera la estabilidad y comportamiento en curva y en frenada o aceleración. Es intuitivo comprender que, cuanto más bajo se halle situado, más rápida será la velocidad de paso por curva. La figura siguiente indica con más claridad las fuerzas principales que actúan al tomar una curva.
Figura 3.45. La altura del Centro de Gravedad influye decisivamente sobre la tendencia al vuelco
Como se observa en la figura 3.45, cuanto mayor sea la vía del coche y más pequeña la altura h del CG, más difícil será llegar a volcar: no importa este hecho en sí (que es extremo) sino principalmente porque la transferencia de pesos de la rueda interior hacia la exterior será inferior. De esta forma si la línea de acción de la resultante R interseca el suelo fuera del área del neumático el coche tenderá a volcar, lo que es imposible si no se da esta condición.
Efectivamente, bajar la altura al suelo en los coches, practicada en el momento de pensar en una preparación para participar en carreras, está justificada siempre que se mantenga un recorrido de suspensión suficiente para no llegar hacer tope, o genere algún problema en las transmisiones u otro elemento de suspensión. Esto puede lograrse ya sea modificando la posición de los anclajes o montando muelles de una rigidez superior, siempre que sean compatibles con las condiciones estudiadas anteriormente.
3.3.6. Centro Instantáneo “Instant center”
El centro instantáneo de rotación CIR de los brazos de suspensión, desde una vista frontal al vehículo, es el punto de intersección entre las rectas de prolongación del brazo superior y el brazo inferior de la suspensión. Se puede afirmar que es el punto aproximado sobre el que girarán los neumáticos y por lo tanto, de su posición dependerá el cambio de caída del neumático al desplazarse verticalmente.
Figura 3.46. Centro instantáneo de rotación CIR
La distancia entre el instant center y el plano medio del neumático se denomina swing arm
lenght (SAL), a mayor SAL, menor será la variación del camber para un determinado
3.3.7. Centro de balanceo “roll center”
El roll center estático se encuentra uniendo el punto de contacto del neumático con el instant center, la intersección de esta recta con el eje medio del coche nos da el roll center, que es el centro de balanceo del chasis. La distancia entre el centro de gravedad del coche y el roll center se llama roll moment arm, que definirá el roll del coche para una determinada fuerza lateral.
Con un roll center muy cerca del centro de gravedad, se tendrá un ángulo de balanceo menor, pero la variación de la geometría de la suspensión será mayor. Sin embargo, un roll center bajo, hará que se tenga un ángulo de roll mayor, pero la geometría de la suspensión cambiará menos.
Figura 3.47. Centro de balanceo CB12
Se sabe que el balanceo no es un movimiento deseado para el comportamiento dinámico, por lo que conviene disminuirlo en lo posible; partiendo de que en los chasis diseñados especialmente para competición los CB están situados a una altura razonable.
En realidad, el situarlo tan alejado del CG, por debajo del suelo, no es por otra razón que la de poder manejar la transferencia de pesos a nuestra voluntad variando muelles y, sobre todo, permite conseguir el equilibrio buscado con un reglaje adecuado de la barra antibalanceo, más comúnmente llamada barra estabilizadora.
3.3.8. Eje de balanceo “roll axis”
Cada una de las secciones que constituyen un vehículo tendrá un Centro de Balanceo distinto. El lugar geométrico unión de todos ellos constituye el llamado Eje de Balanceo, también llamado NRA (Neutral Roll Axis) o eje respecto al cual no hay balanceo. Es decir, si aplicamos una fuerza lateral de cualquier magnitud a la altura del Eje de Balanceo la carrocería no se inclinará.
Debido a que la altura del centro de balanceo del eje posterior suele ser mayor que la del eje delantero, el eje de balanceo que une ambos centros está inclinado hacia delante. Este eje no pasa por el centro de gravedad, por lo que ésta es la causa de la existencia de balanceo y, por tanto, de transferencia lateral de masa.
Figura 3.48. Eje de balanceo CB13
3.3.9. Rigidez de balanceo
Las rigideces de balanceo se expresan como la relación entre el momento de balanceo y el ángulo que se inclina la carrocería. Relacionar estas magnitudes requeriría expresiones matemáticas complejas, por lo que habitualmente se aproximan los cálculos considerando la masa total en lugar de la masa suspendida (es decir, despreciando la no suspendida). Con
esta simplificación, el incremento de peso debido a la transferencia de un lado a otro para el eje delantero, será deducido a la fórmula:
Para el tren trasero, la expresión es análoga sustituyendo todos los subíndices D por T y los
T por D, además de h1 por h7 (ver figura 3.48)
3.3.10. Geometría Anti-levantamiento “anti-squat” y Anti-hundimiento “anti-dive”
Hay dos tipos de geometría de suspensión que se emplean para limitar el movimiento del chasis, pero que no intervienen en la transferencia de masa: Anti-squat y Anti-dive
La geometría de las suspensiones sufre variaciones con la transferencia de pesos de delante hacia atrás (o viceversa) que experimenta un coche en el momento de acelerar o frenar. Por ejemplo, durante una frenada a gran velocidad el incremento de peso que sufre el tren delantero puede llegar hasta el 50% de la masa suspendida, produciendo una inestabilidad al descolocarse las suspensiones precisamente en un momento de gran relevancia. De igual modo ocurre al acelerar. Para minimizar el aplastamiento que sufre la suspensión delantera en el primer caso -o la trasera en aceleración- se emplea una disposición de sus elementos que describimos a continuación.
Anti-levantamiento “Anti-Squat”
Uno de los cálculos imprescindibles que se debe hacer en una suspensión, es elegir este porcentaje de anti-squat si se tiene la suerte de poder acceder a su diseño calculando de forma adecuada, y en el que siempre se deberá fijar al estudiarla para comprender su eficacia, e incluso modificar convenientemente si se trata de un monoplaza mediante el cambio de posición del anclaje de los trapecios, ya que en un turismo se sale del alcance de la mayoría de los preparadores debido a la dificultad que supone cambiar los anclajes de la suspensión.
Figura 3.49. Geometría Anti-squat14
En la figura 3.49 se puede ver cómo se halla el Centro de Transferencia (CT) de delante hacia atrás al acelerar, en una suspensión formada por trapecios superpuestos como es el caso del monoplaza UPM Racing Eléctrico.
El CT es el centro teórico respecto del cual gira el tren trasero en su movimiento de delante atrás en un momento de aceleración o de fuerte apoyo, normalmente a la salida de una curva. La distancia entre el CG y el punto A nos define la magnitud de su efecto, y se acostumbra a medir en porcentaje de la altura total de aquél. Por ejemplo si A se encuentra al 20% de la altura del CG, éste será el porcentaje de efecto anti levantamiento.
Figura 3.50. Anti-squat de suspensión posterior
Anti-hundimiento “Anti-dive”
El anti-dive evita que la parte trasera del chasis se levante durante las frenadas, también se mide en porcentaje de la altura del CT respecto al CG, no siendo usual un valor mayor del 30%.
Figura 3.51. Geometría Anti-dive15
3.3.11. Bump steer y roll steer
Reciben este nombre (siempre en inglés) las variaciones que sufre el paralelo por dos causas distintas:
a. al oscilar la suspensión en todo su recorrido útil (bump steer). b. al balancear (roll steer).
Esta variación impone un cambio de dirección en el coche; de ahí steer (dirección). Para evitarlo, se debe trabajar con los elementos de dirección y suspensión, optimizar las variaciones de paralelo.
El método representado en la figura 3.52 consiste en hacer oscilar la suspensión a lo largo de todo su recorrido útil, y comprobar las variaciones de paralelo con los comparadores centesimales que se pueden ver. Efectuando esta medición cada milímetro de desplazamiento se conseguirá representar un gráfico que, si no es una línea recta, producirá un comportamiento errático a la menor oscilación, intolerable en competición o en una conducción rápida.
En cada tipo de suspensión habrá que actuar de una forma para conseguir la mínima variación.
Cuando los semitrenes derecho e izquierdo se mueven relativamente entre ellos siguiendo las oscilaciones del terreno, o en general ángulos diferentes de inclinación del lado interior y exterior de la curva, las bieletas de la dirección, si se trata del tren delantero o las pequeñas diferencias de longitud entre los elementos de suspensión de ambos lados si se trata del trasero, determinan esas diferencias de paralelo que inducen variaciones de
trayectoria que producen unos movimientos parásitos que no favorecen en absoluto la estabilidad.
Figura 3.52. Esquema para la medición del Bump-steer.
3.3.12. Geometría de Ackermann
Cuando un vehículo pasa una curva, su rueda delantera interna recorre menos camino que la externa puesto que el radio de ambas trayectorias es diferente: tanto mayor es la diferencia de giro que debe presentar una respecto de la otra cuanto más pronunciada sea la curva en cuestión. Para que el Centro Instantáneo de Rotación (CIR) de ambos trenes coincida, convirtiéndose en lo que se denomina punto de mínimo deslizamiento en el estudio cinemático, es necesario que se cumpla la condición geométrica representada en la figura 3.53.
Figura 3.53. Condición de Ackerman y CIR.
El Ackermann suele cuantificarse en forma de porcentaje con respecto a la batalla. Así, cuando la intersección de las líneas formadas por las bieletas de dirección se produce sobre el eje trasero, como se puede observar en la figura 3.54, se habla de Ackermann 100%. Si las bieletas son paralelas entre sí: Ackermann neutro o al 0%. Y cuando la intersección se produce por la parte delantera, se emplean porcentajes negativos.
Figura 3.54. Geometría tipo Ackermann.
En competición, dados los grandes apoyos en curva y la gran transferencia de pesos hacia el exterior de la misma, la rueda exterior trabaja, casi siempre, con ángulos de deriva acusados. En esta circunstancia, dependiendo del valor de dicho ángulo, puede ser aconsejable reducir el Ackermann a 0 (Ackermann neutro) o incluso Ackermann negativo.