Ballesta

Una ballesta es un tipo de resorte sencillo que se usa comúnmente para la suspensión en vehículos con ruedas . Originalmente llamada ballesta laminada o de carro , y a veces denominada ballesta semielíptica , elíptica o de carro , es una de las formas más antiguas de suspensión vehicular. Una ballesta consta de una o más placas delgadas, estrechas y arqueadas, que se fijan al eje y al chasis de manera que la ballesta se flexione verticalmente en respuesta a las irregularidades de la superficie de la carretera. Las ballestas laterales son la configuración más común, recorriendo toda la longitud del vehículo y montadas perpendicularmente al eje de la rueda, pero también existen numerosos ejemplos de ballestas transversales .

Las ballestas cumplen múltiples funciones en la suspensión: posicionamiento, amortiguación y, en cierta medida, también control de la fricción entre las hojas. Sin embargo, esta fricción no se controla adecuadamente, lo que provoca adherencia y movimientos irregulares de la suspensión. Por este motivo, algunos fabricantes han optado por ballestas monolámina.

Una ballesta tiene la forma de un arco delgado de acero elástico de sección transversal rectangular . En la configuración más común, el centro del arco proporciona la ubicación para el eje , mientras que los bucles formados en cada extremo permiten la fijación al chasis del vehículo. Para vehículos muy pesados, una ballesta puede estar hecha de varias hojas apiladas una encima de la otra en varias capas, a menudo con hojas progresivamente más cortas. La hoja más larga también se conoce como hoja principal, maestra o n.° 1, y las hojas se numeran en orden descendente de longitud. ^{[ 1 ] : 1–3} Los ojos en el extremo de la ballesta están formados en la hoja maestra. ^{[ 2 ] : 6} En general, aparte de la hoja principal, las demás hojas son cónicas en cada extremo. ^{[ 2 ] : 8} A veces, las láminas auxiliares o de rebote forman parte del paquete de muelles principal, en cuyo caso la lámina auxiliar más cercana a la principal es la n.° 1, la siguiente más cercana es la n.° 2, etc. ^{[ 1 ] : 3} Las láminas se unen entre sí mediante el perno central, que se encuentra en o cerca del punto medio a lo largo de la longitud del muelle de lámina. ^{[ 2 ] : 8} Para asegurar que las láminas permanezcan alineadas lateralmente, se pueden utilizar varios métodos, incluyendo muescas y ranuras entre las láminas o clips externos. ^{[ 2 ] : 9–12}

Se descubrió que los aceros para muelles eran más eficientes con un contenido de carbono de aproximadamente el 1%. ^{[ 2 ] : 13–15} El espesor de cada lámina se especifica mediante el calibre Stubbs o Birmingham , con espesores típicos que oscilan entre 0,203 y 0,375 pulgadas (5,2 a 9,5 mm) (calibre 6 a 3/8 o 00). ^{[ 2 ] : 16} El material y las dimensiones deben seleccionarse de manera que cada lámina pueda endurecerse para tener una estructura completamente martensítica en toda la sección. Las aleaciones de acero para muelles adecuadas incluyen 55Si7, 60Si7, 65Si7, 50Cr4V2 y 60Cr4V2. ^{[ 1 ] : 6}  

Características

Los dos extremos de una ballesta suelen tener forma de ojales redondos, a través de los cuales un elemento de fijación conecta cada extremo de la ballesta al chasis o carrocería del vehículo . Algunas ballestas terminaban en un extremo cóncavo, llamado extremo de cuchara (poco utilizado actualmente), para alojar un elemento giratorio. Un ojal suele ser fijo, pero puede pivotar con el movimiento de la ballesta, mientras que el otro está fijado a un mecanismo de bisagra que permite que dicho extremo pivote y tenga un movimiento limitado. Una ballesta puede fijarse directamente al chasis en ambos ojales o fijarse directamente en un extremo, generalmente el delantero, y el otro extremo mediante un grillete: un brazo oscilante corto. El grillete absorbe la tendencia de la ballesta a alargarse al comprimirse, lo que suaviza la suspensión. El grillete proporciona cierto grado de flexibilidad a la ballesta para que no falle al someterse a cargas pesadas. El eje suele fijarse al centro de la ballesta mediante pernos en U. ^{[ 3 ]}

La ballesta actúa como un elemento de articulación para mantener el eje en posición, por lo que no se necesitan articulaciones separadas. El resultado es una suspensión sencilla y robusta. La fricción entre las hojas amortigua el movimiento de la ballesta y reduce el rebote, lo que, hasta la generalización de los amortiguadores , suponía una ventaja muy significativa sobre las ballestas helicoidales . ^{[ 4 ]} Sin embargo, dado que la ballesta también sirve para mantener el eje en posición, las ballestas blandas —es decir, las de baja constante elástica— no son adecuadas. La rigidez resultante, sumada a la fricción entre las hojas, hace que este tipo de suspensión no sea especialmente cómoda para los conductores.

Tipos

Existen diversos tipos de ballestas, generalmente denominadas "elípticas". Las ballestas "elípticas" o "completamente elípticas", patentadas en 1804 por el inventor británico Obadiah Elliott , se referían a dos arcos circulares unidos por sus extremos. Estos se unían al bastidor en el centro superior del arco superior, mientras que el centro inferior se unía a los componentes de la suspensión, como un eje delantero rígido. Normalmente, este diseño requería componentes adicionales de la suspensión, como brazos de arrastre , pero no las ballestas "semielípticas" utilizadas en la transmisión Hotchkiss . Esta última empleaba el arco inferior, de ahí su nombre.

Los muelles semielípticos solían tener la parte más gruesa del conjunto de hojas insertada en la parte trasera de los laterales de un bastidor corto, con el extremo libre unido al diferencial, como en el Austin Seven de la década de 1920. Como ejemplo de muelles de hojas no elípticos, el Ford Modelo T tenía varios muelles de hojas sobre su diferencial curvados en forma de horquilla . Como sustituto de los amortiguadores , algunos fabricantes colocaban láminas no metálicas, como madera, entre las hojas metálicas.

La invención de Elliot revolucionó el diseño y la construcción de carruajes, eliminando la necesidad de una pesada plataforma y haciendo que el transporte por caminos accidentados fuera más rápido, más fácil y menos costoso. ^{[ 5 ]}

• Ejemplos de ballestas
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  Elíptico
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  Semielíptico
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  Tres cuartos elípticos
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  Cuarto elíptico
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  Transverso

Una implementación más moderna es la ballesta parabólica. Este diseño se caracteriza por tener menos hojas cuyo grosor varía desde el centro hasta los extremos siguiendo una curva parabólica . El objetivo de este diseño es reducir la fricción entre las hojas, por lo que solo hay contacto entre ellas en los extremos y en el centro, donde se conecta el eje. Los espaciadores evitan el contacto en otros puntos. Además del ahorro de peso, la principal ventaja de las ballestas parabólicas es su mayor flexibilidad, lo que se traduce en una mejor calidad de marcha , similar a la de las ballestas helicoidales; la contrapartida es una menor capacidad de carga. Se utilizan ampliamente en autobuses para mejorar el confort.

Otro avance de la empresa británica GKN y de Chevrolet, entre otros modelos como el Corvette, es el uso de ballestas de plástico compuesto. Sin embargo, debido a la falta de fricción entre las láminas y otros efectos de amortiguación interna, este tipo de ballesta requiere amortiguadores más potentes.

Normalmente, en la suspensión de automóviles, la ballesta soporta el eje y lo posiciona (total o parcialmente). Esto puede provocar problemas de manejo (como el rebote del eje), ya que la flexibilidad de la ballesta dificulta el control preciso de la masa no suspendida del eje. Algunos diseños de suspensión utilizan una barra de Watts (o una barra Panhard ) y brazos de radio para posicionar el eje, evitando así este inconveniente. Dichos diseños permiten el uso de muelles más blandos, lo que resulta en una conducción más cómoda. Ejemplos de ello son las diversas suspensiones traseras de los Austin-Healey 3000 y Fiat 128 .

Las primeras ballestas conocidas comenzaron a aparecer en los carruajes de Francia a mediados del siglo XVII en forma de ballesta de codo de dos partes (como el ejemplo ilustrado de Lisboa), y posteriormente se extendieron a Inglaterra y Alemania, ^{[ 6 ]} apareciendo en los carruajes de los ricos de esos países alrededor de 1750. ^{[ 2 ] : 1} El Dr. Richard Lovell Edgeworth recibió tres medallas de oro de la Sociedad de Artes y Fabricantes Ingleses en 1768 por demostrar la superioridad de los carruajes con ballestas. En 1796, el Tratado sobre Carruajes de William Felton mostró que las ballestas se comercializaban regularmente en la industria de carruajes de finales del siglo XVIII. ^{[ 7 ] : 87–97 [ 2 ] : 1}

A Obadiah Elliot se le atribuye la invención del resorte de lámina moderno con su patente de 1804 sobre resortes de lámina elípticos, lo que le brindó un reconocimiento e ingresos significativos, y los ingenieros comenzaron a estudiar los resortes de lámina para desarrollar diseños y procesos de fabricación mejorados. La mecánica y la deflexión de los resortes de lámina fueron desarrolladas por Clark (1855), Franz Reuleaux (1861) ^{[ 8 ]} y GR Henderson (1894). ^{[ 2 ] : 1 [ 9 ] [ 10 ]} También se desarrollaron procesos mejorados de laminación de acero, instrumentos de proceso y aleaciones de acero para resortes durante la segunda mitad del siglo XIX, lo que hizo que la fabricación de resortes de lámina fuera más consistente y menos costosa. ^{[ 2 ] : 2}

Las ballestas eran muy comunes en los automóviles hasta la década de 1970, cuando los fabricantes de automóviles se decantaron principalmente por la tracción delantera y se desarrollaron diseños de suspensión más sofisticados utilizando muelles helicoidales . Hoy en día, las ballestas todavía se utilizan en vehículos comerciales pesados ​​como furgonetas , camiones , SUV y vagones de ferrocarril . En los vehículos pesados, tienen la ventaja de distribuir la carga de forma más uniforme sobre el chasis, mientras que los muelles helicoidales la transfieren a un solo punto. A diferencia de los muelles helicoidales, las ballestas también fijan el eje trasero, eliminando la necesidad de brazos de arrastre y una barra Panhard , lo que ahorra costes y peso en una suspensión trasera de eje rígido simple . Otra ventaja de las ballestas sobre los muelles helicoidales es que el extremo de la ballesta puede guiarse a lo largo de una trayectoria definida. En muchos camiones de finales de la década de 1990 y principios de la de 2000, la ballesta está conectada a una rótula Hinkle Beam.

• Muelles de ballesta utilizados en suspensiones independientes
• 
  Suspensión delantera independiente con ballestas. Alvis de tracción delantera , 1928.
• 
  Suspensión delantera independiente mediante ballesta transversal. Humber , 1935.
• 
  Suspensión delantera independiente mediante muelles semielípticos. Mercedes Benz 230 W153, 1938.

La ballesta también se ha incorporado a aplicaciones modernas en automóviles. Por ejemplo, el Chevrolet Corvette Sting Ray de 1963 utiliza una ballesta transversal para su suspensión trasera independiente. De manera similar, el Volvo XC90 de 2016 incorpora una ballesta transversal con materiales compuestos para su suspensión trasera, similar en concepto a la suspensión delantera del Corvette de 1984. Este sistema emplea una ballesta recta fijada firmemente al chasis en el centro; los extremos de la ballesta se atornillan a la suspensión de cada rueda, lo que permite que la ballesta funcione de forma independiente en cada una. Esta suspensión es más compacta, plana y ligera que una configuración tradicional.

Los resortes de hojas múltiples se fabrican de la siguiente manera.

1. Proceso de tratamiento térmico previo:
   1. entrenamiento
   2. laminación cónica
   3. guarnición
   4. corte y prensado final
   5. segunda deformación
   6. comer a tragos y poner los ojos en blanco
   7. mordaz
   8. C'SKG puñetazo
   9. perforación del orificio central.
2. Procesos de tratamiento térmico:
   1. calentamiento para endurecimiento
   2. curvatura
   3. temple
   4. templado.
3. Procesos posteriores al tratamiento térmico:
   1. rectificación
   2. Extracción de la curvatura lateral
   3. cojinete
   4. sobrante
   5. Remachado con abrazadera.
4. Ensamblaje y acabados superficiales:
   1. granallado
   2. cuadro
   3. ensamblando
   4. rascando
   5. Marcado y embalaje.

Tuning (del inglés tune, to adjust, to harmonise, to fine-tune) en el campo de los vehículos es un término que denota la modificación de un vehículo con respecto a los estándares de producción en masa para adaptarlo a gustos personales o necesidades específicas. ^{[ 14 ] [ 15 ]} El ajuste de la suspensión incluye el cambio de resortes, amortiguadores, barras estabilizadoras y otros componentes relacionados. ^{[ 16 ]} Muchos camiones están soportados por suspensión de ballestas. ^{[ 17 ]} Las suspensiones de ballestas proporcionan una articulación excepcional, mayor capacidad de carga y pueden soportar un uso intensivo. Con los métodos adecuados, se pueden modificar para ayudar al vehículo a transportar cargas más pesadas, tener una mejor articulación o acomodar neumáticos más grandes. Algunos vehículos pueden estar equipados con ballestas delanteras y traseras o solo ballestas traseras con suspensión delantera independiente. Hay dos formas principales de mejorar las ballestas. La primera es económica pero muy efectiva: agregar una hoja al paquete de ballestas de fábrica. Esto proporciona una mayor distancia al suelo y una capacidad de carga incremental. ^{[ 18 ]} La segunda opción es reemplazar completamente el paquete de ballestas de fábrica por uno más resistente. Esto proporciona mayor distancia al suelo, una capacidad de carga significativamente mayor y puede aumentar el recorrido (extensión/compresión) de la parte trasera para un mejor rendimiento. ^{[ 19 ]} La tercera opción es reemplazar los paquetes de ballestas de fábrica por muelles helicoidales. En general, este enfoque cambia todos los aspectos de la dinámica de la suspensión trasera, lo que le brinda más control sobre los resultados, incluyendo la altura, la capacidad de carga, el recorrido de la rueda, etc. ^{[ 20 ]}

Algunos métodos de elevación son adecuados para la parte trasera, pero no para la delantera, como los bloques de elevación. Elevar la parte trasera con bloques es una forma común de lograr la altura deseada. Esto se consigue instalando un bloque de la altura de elevación deseada entre la ballesta y su soporte, y colocando pernos en U más largos. Este método no es recomendable para la parte delantera, principalmente por problemas de seguridad durante el frenado. Al frenar, las ruedas delanteras generan la mayor parte de la fuerza de frenado. El bloque desplaza esta fuerza lateral causada por el frenado a una altura mayor sobre el eje que en su configuración estándar. Esto puede provocar que el bloque se desplace y se produzca una pérdida total de control.

Una forma más aceptable de reforzar las ballestas es mediante el uso de hojas adicionales. Esto se logra insertando una hoja extra en el conjunto de ballestas del vehículo. El uso de hojas adicionales aumenta la altura, pero a veces provoca una suspensión más rígida debido a la mayor rigidez de la ballesta.

Para vehículos todoterreno, el énfasis está en extender el recorrido de la suspensión y montar neumáticos más grandes. Los neumáticos más grandes —con o sin llantas más grandes— aumentan la distancia al suelo, proporcionan una marcha más suave en terrenos irregulares, ofrecen amortiguación adicional y reducen la presión sobre el suelo (lo cual es importante en superficies blandas). ^{[ 21 ] [ 22 ]} A menudo, la suspensión trasera de los vehículos todoterreno está representada por ballestas.