Arquitecturas de suspensión, geometría y guiado de las ruedas
La arquitectura de una suspensión determina cómo queda guiada la rueda al desplazarse, girar y transmitir fuerzas. Denominaciones como MacPherson, doble triángulo y multibrazo describen disposiciones de brazos y articulaciones; por sí solas no predicen por completo el confort y el comportamiento dinámico presentados en EV suspension overview.
Cinemática y elasticidad
Un portamangueta puede trasladarse y girar en tres dimensiones. Los elementos de la suspensión restringen la mayoría de esos grados de libertad, al tiempo que permiten una trayectoria definida durante la compresión y la extensión. La cinemática describe ese movimiento geométrico ideal. La elastocinemática, o cinemática de la elasticidad, describe el movimiento adicional causado cuando los casquillos, articulaciones, brazos, subchasis y la carrocería se deforman bajo las fuerzas del neumático.
Ambas importan. Una arquitectura puede ofrecer una caída deseable en un banco de geometría y, sin embargo, adquirir una convergencia no deseada durante la frenada porque se deforma un casquillo. A la inversa, una elasticidad cuidadosamente orientada puede absorber un impacto o añadir convergencia estabilizadora bajo carga lateral. Por ello, el desarrollo moderno combina simulación multicuerpo, modelos de rigidez, ensayos de cinemática y elasticidad, pruebas de durabilidad y puesta a punto en carretera. SAE: three-dimensional analysis of major suspension layouts SAE: suspension kinematics and data-driven compliance
Los principales términos geométricos son:
- Caída: inclinación de la rueda vista de frente. Su variación con el recorrido de la rueda y el balanceo de la carrocería influye en cómo se apoya el neumático sobre la carretera.
- Convergencia: orientación de las ruedas hacia dentro o hacia fuera vista desde arriba. La variación no deseada de la convergencia con el recorrido de la rueda se denomina habitualmente dirección inducida por la suspensión.
- Avance, inclinación del eje de dirección y arrastre: geometría de la dirección vista de frente y de perfil que influye en el autocentrado, el esfuerzo de dirección y la sensibilidad a las perturbaciones.
- Radio de pivote: distancia lateral, sobre la carretera, entre la intersección del eje de dirección y el centro de la huella de contacto. Influye en las fuerzas de dirección al frenar y cuando la adherencia es desigual.
- Centro de balanceo: representación geométrica utilizada para analizar cómo se reparte la fuerza lateral entre la fuerza transmitida por los brazos de suspensión y el balanceo elástico de la carrocería. No es una articulación física y se desplaza con la posición de la suspensión.
- Geometría antihundimiento y antilevantamiento: orientaciones de los brazos que hacen pasar parte de la fuerza longitudinal del neumático por los elementos de suspensión para oponerse al cabeceo de la carrocería. Unos valores excesivos pueden transmitir más perturbaciones a la carrocería.
- Relación de movimiento: relación entre el recorrido de la rueda y el del muelle o el amortiguador. Modifica la rigidez en la rueda, la velocidad del amortiguador y las fuerzas necesarias en los componentes.
No existe un único valor geométrico «óptimo». Los objetivos dependen del comportamiento de los neumáticos, el centro de gravedad, las vías, la batalla, la configuración de la propulsión, el reparto de frenada, la dirección, la aerodinámica y el uso previsto.
Arquitecturas independientes, acopladas y dependientes
Con una suspensión independiente, una rueda puede moverse verticalmente sin que un eje rígido obligue a la rueda opuesta a realizar el mismo movimiento. Aun así, ambos lados siguen acoplados a través de la carrocería, el subchasis, la barra estabilizadora y, en algunos sistemas, circuitos hidráulicos o neumáticos.
Un eje trasero de traviesa torsional suele denominarse semiindependiente. Sus brazos tirados pueden desplazarse en distinta medida, pero la traviesa se retuerce y los acopla.
En un eje dependiente, un elemento rígido conecta los dos portamanguetas. El movimiento de una rueda cambia la posición del conjunto del eje y puede influir directamente en la rueda opuesta. Los ejes motores rígidos integran en ese elemento las funciones del diferencial y los semiejes; una disposición De Dion conecta las ruedas, pero fija el diferencial a la carrocería.
Estas categorías describen el acoplamiento, no la calidad. Un automóvil compacto con una traviesa torsional bien desarrollada puede ser más sereno que otro con un eje trasero independiente mal calibrado, mientras que un eje rígido puede ser la opción racional para la carga útil, la durabilidad y la articulación.
MacPherson y columnas con brazos separados
Una arquitectura MacPherson utiliza el conjunto muelle-amortiguador como elemento estructural de guiado de la rueda. Un brazo inferior o varias bieletas sitúan la parte baja del portamangueta, mientras que el soporte superior de la columna y la barra de dirección completan la geometría delantera básica.
Sus ventajas son un número reducido de piezas, un buen aprovechamiento del espacio transversal y espacio entre las torretas de suspensión para la estructura de choque, los componentes de propulsión o un maletero delantero. Sus limitaciones incluyen una elevada carga estructural a través de la columna y su soporte superior, sensibilidad a la fricción y a la rigidez del soporte, y menor control independiente de la caída y la geometría del eje de dirección que en arquitecturas con brazos superiores separados.
Los ejes de columna llamados «de doble articulación», «de doble eje» o «de doble pivote» dividen la función de guiado inferior entre dos brazos y crean un punto de dirección inferior virtual. Siguen perteneciendo a la familia MacPherson, pero el pivote virtual da a los ingenieros más libertad sobre el radio de pivote, las perturbaciones en la dirección y los caminos de fuerza. La propia descripción de BMW de su eje de columna con doble articulación demuestra por qué resulta engañoso reducir toda arquitectura MacPherson a un único triángulo inferior. BMW: double-joint spring-strut and five-link axle construction
Doble triángulo
Una suspensión de doble triángulo sitúa la rueda mediante brazos superior e inferior. Los brazos no tienen que ser literalmente piezas en forma de A; cada uno puede dividirse en bieletas independientes, y el muelle y el amortiguador pueden actuar directamente o a través de un balancín o una varilla de empuje.
La geometría independiente de los brazos superior e inferior ofrece a los ingenieros una libertad considerable para definir la ganancia de caída, el desplazamiento del centro de balanceo, la posición del eje de dirección y los efectos antihundimiento o antilevantamiento. También puede proporcionar una estructura rígida de guiado de la rueda con el amortiguador separado de las cargas de dirección.
El coste reside en el espacio y el número de componentes. Un brazo superior compite por el volumen del neumático, la estructura de la carrocería y el espacio del maletero delantero; unos brazos cortos pueden generar cambios geométricos bruscos, mientras que los largos necesitan sitio. La denominación no compensa una geometría de triángulos mal elegida.
Multibrazo
«Multibrazo» describe una familia, no un mecanismo estándar. Diferentes brazos controlan distintas combinaciones de movimientos longitudinales, laterales y de rotación. Sus posiciones, tipos de articulación y rigideces determinan el resultado.
Un sistema de guiado de cinco brazos suele emplear cinco bieletas independientes para restringir cinco de los seis grados de libertad del portamangueta, dejando el movimiento de suspensión previsto. Los diseños reales son menos ordenados que esa descripción de manual: un triángulo puede contar como un brazo o como dos bieletas, una bieleta de convergencia puede dirigir activamente la rueda y los fabricantes emplean convenciones diferentes.
El valor de una arquitectura multibrazo es su libertad de puesta a punto. Los ingenieros pueden separar el control de la convergencia del control de la caída, dirigir las fuerzas de frenada y tracción a través de casquillos distintos y colocar el muelle y el amortiguador según las necesidades de espacio del equipaje o el motor. A cambio hay más articulaciones, una gestión más exigente de las tolerancias, una alineación más compleja y más posibilidades de que la elasticidad o el desgaste alteren el comportamiento.
El Porsche Taycan actual demuestra la diferencia entre una categoría y su ejecución: Porsche especifica guiado delantero de doble triángulo y un eje trasero multibrazo de aluminio forjado, y después combina esas arquitecturas con muelles neumáticos y amortiguadores controlados. La construcción no indica al lector qué tecnología de muelle o amortiguador se ha instalado. Porsche: Taycan front and rear suspension construction
Brazos tirados y traviesas torsionales
Un brazo tirado pivota principalmente alrededor de un eje transversal situado por delante de la rueda. Es compacto y estructuralmente directo para las cargas longitudinales, pero una versión sencilla ofrece un control independiente limitado de la caída y la convergencia. Los brazos semitirados inclinan el eje de pivote y acoplan deliberadamente el recorrido de la rueda a los cambios de caída y convergencia.
Una traviesa torsional conecta dos brazos tirados mediante un elemento transversal diseñado para retorcerse. Ese elemento posiciona las ruedas y aporta parte de la rigidez al balanceo del eje, lo que puede eliminar la necesidad de una barra estabilizadora independiente.
La arquitectura es compacta, utiliza pocas piezas, es ligera y económica y puede preservar un espacio valioso bajo el piso y en el maletero. Los movimientos de las ruedas y la elasticidad están más acoplados que en un eje totalmente independiente, y una elevada carga trasera o unos objetivos exigentes de confort y comportamiento pueden dificultar la optimización simultánea de la traviesa, los casquillos y los anclajes a la carrocería. No obstante, los estudios de ingeniería demuestran que la geometría de la traviesa y la orientación de los casquillos ofrecen un margen de puesta a punto considerable; «eje de torsión» no es un veredicto completo sobre el chasis. SAE: rear twist-beam geometry and bush optimization
Ejes rígidos y guiado mediante ballestas
Un eje rígido mantiene fija respecto al eje la relación de caída entre ambas ruedas y proporciona caminos de carga robustos y sencillos. Sigue siendo relevante en furgonetas, camionetas y todoterrenos, donde la carga útil, el remolque, la articulación y la durabilidad pueden pesar más que las desventajas de masa no suspendida y aislamiento.
Las ballestas pueden sostener la carrocería y, al mismo tiempo, posicionar longitudinalmente un eje, reduciendo el número de brazos. Los ejes dependientes más sofisticados utilizan brazos de control independientes, una barra Panhard o un mecanismo de Watt para posicionar el eje, mientras muelles helicoidales o neumáticos soportan la carga.
Como el diferencial y buena parte de la transmisión se mueven con un eje motor rígido, la masa no suspendida puede ser elevada. Un eje De Dion mantiene el diferencial unido a la carrocería, reduciendo esa penalización sin perder el acoplamiento lateral entre las ruedas.
La geometría no es la calibración
Dos vehículos eléctricos con la misma arquitectura anunciada pueden comportarse de forma distinta debido a:
- las relaciones de movimiento de muelles y amortiguadores;
- la altura de marcha estática y el recorrido útil de compresión y extensión;
- la rigidez, direccionalidad y fricción de los casquillos;
- la rigidez del subchasis y de sus uniones a la carrocería;
- la rigidez de la barra estabilizadora y la elasticidad de sus soportes;
- el desplazamiento de las ruedas, la construcción y presión de los neumáticos y la masa no suspendida;
- los objetivos y tolerancias de alineación;
- el software de dirección, frenado y chasis activo.
Por eso suspension springs, suspension dampers y active suspension son partes independientes de esta serie.
Qué deben comprobar compradores y propietarios
Considere el nombre de la arquitectura como un punto de partida. Busque la construcción exacta delantera y trasera, compruebe si la dirección trasera o el control activo de convergencia la modifican y si los paquetes de suspensión opcionales sustituyen los muelles, los amortiguadores o ambos.
La alineación de las ruedas debe evaluarse a la altura de marcha y con la carga especificadas. Bajar o elevar el vehículo, o montar ruedas con un desplazamiento diferente, puede modificar la caída, la convergencia, la dirección inducida, la posición del centro de balanceo, los ángulos de los semiejes y el recorrido restante. También puede ser necesario apretar los brazos con casquillos de goma en la posición de diseño prescrita; fijarlos con la suspensión totalmente extendida puede precargar los casquillos a la altura de marcha normal.
En carretera, valore el resultado: precisión de la dirección sobre baches, estabilidad al frenar, movimientos laterales de la cabeza ante solicitaciones alternas, ruido de los neumáticos, aislamiento de impactos y forma en que el automóvil se estabiliza. La arquitectura crea posibilidades. La geometría, la elasticidad y la calibración deciden cuánto de ese potencial llega al conductor.