Suspensión del automóvil

Los automóviles se desarrollaron inicialmente como versiones autopropulsadas de vehículos tirados por caballos. Sin embargo, estos últimos habían sido diseñados para velocidades relativamente bajas, y su suspensión no era adecuada para las velocidades más altas que permitía el motor de combustión interna.

La primera suspensión de muelles funcional requirió conocimientos y habilidades metalúrgicas avanzadas, y solo fue posible con la llegada de la industrialización . Obadiah Elliott registró la primera patente para un vehículo con suspensión de muelles; cada rueda tenía dos resistentes ballestas de acero a cada lado y la carrocería del carruaje estaba fijada directamente a las ballestas, que a su vez estaban unidas a los ejes . En una década, la mayoría de los carruajes británicos estaban equipados con muelles; muelles de madera en el caso de vehículos ligeros de un solo caballo para evitar impuestos , y muelles de acero en vehículos más grandes. Estos solían estar hechos de acero con bajo contenido de carbono y generalmente tenían la forma de ballestas de varias capas. ^{[ 5 ]}

Las ballestas existen desde la época de los antiguos egipcios . Los ingenieros militares de la antigüedad las utilizaban en forma de arcos para impulsar sus máquinas de asedio , aunque con escaso éxito al principio. El uso de ballestas en catapultas se perfeccionó posteriormente y se logró que funcionaran años después. Los carruajes tirados por caballos y el Ford Modelo T utilizaban este sistema, y ​​aún se emplea hoy en día en vehículos más grandes, principalmente montado en la suspensión trasera. Las ballestas no solo se fabricaban de metal; una rama robusta de árbol podía utilizarse como ballesta, al igual que en un arco. ^{[ 6 ]}

Las ballestas fueron el primer sistema de suspensión moderno y, junto con los avances en la construcción de carreteras , anunciaron la mayor mejora en el transporte por carretera hasta la llegada del automóvil . ^{[ 7 ]} Los muelles de acero británicos no eran adecuados para su uso en las carreteras accidentadas de Estados Unidos de la época, por lo que la empresa Abbot-Downing de Concord, New Hampshire , reintrodujo la suspensión de correas de cuero, que proporcionaba un movimiento oscilante en lugar del movimiento brusco hacia arriba y hacia abajo de la suspensión de muelles.

En 1901, Mors de París fue el primero en equipar un automóvil con amortiguadores . Gracias a la ventaja de un sistema de suspensión amortiguada en su «Máquina Mors», Henri Fournier ganó la prestigiosa carrera París-Berlín el 20 de junio de 1901. El mejor tiempo de Fournier fue de 11  horas, 46  minutos y 10  segundos, mientras que el mejor competidor fue Léonce Girardot en un Panhard con un tiempo de 12  horas, 15  minutos y 40  segundos. ^{[ 8 ]}

Los muelles helicoidales aparecieron por primera vez en un vehículo de producción en 1906, en el Brush Runabout fabricado por la Brush Motor Company. Hoy en día, los muelles helicoidales se utilizan en la mayoría de los automóviles.

En 1920, Leyland Motors utilizó barras de torsión en un sistema de suspensión.

En 1922, la suspensión delantera independiente fue pionera en el Lancia Lambda y se hizo más común en los automóviles de producción en masa a partir de 1932. ^{[ 9 ]} Hoy en día, la mayoría de los automóviles tienen suspensión independiente en las cuatro ruedas.

La pieza sobre la que se apoyaban los resortes anteriores a 1950 se llama barra de hierro muerta .

En 2002, Malcolm C. Smith inventó un nuevo componente de suspensión pasiva: el inerter . Este componente permite aumentar la inercia efectiva de la suspensión de las ruedas mediante un volante de inercia con engranajes, sin añadir masa significativa. Inicialmente se empleó en secreto en la Fórmula 1 , pero desde entonces se ha extendido a otras disciplinas del automovilismo.

El Ford Modelo T de Henry Ford utilizaba un tubo de torsión para contrarrestar esta fuerza, ya que su diferencial estaba unido al chasis mediante una ballesta lateral y dos varillas estrechas. El tubo de torsión rodeaba el eje de transmisión y ejercía la fuerza sobre su rótula en el extremo posterior de la transmisión, que estaba unida al motor. Un método similar fue utilizado a finales de la década de 1930 por Buick y por el Hudson en 1948 con su modelo conocido como "bañera ", que empleaba muelles helicoidales que no podían soportar el empuje longitudinal.

El sistema de suspensión trasera Hotchkiss , inventado por Albert Hotchkiss, fue el más popular en los automóviles estadounidenses desde la década de 1930 hasta la de 1970. Este sistema utiliza ballestas longitudinales fijadas tanto delante como detrás del diferencial del eje rígido . Estas ballestas transmiten el par motor al chasis. Aunque fue criticado por muchos fabricantes de automóviles europeos de la época, fue adoptado por los estadounidenses debido a su bajo costo de fabricación. Además, los defectos dinámicos de este diseño se veían mitigados por el enorme peso de los vehículos de pasajeros estadounidenses antes de la implementación de la norma CAFE ( Corporate Average Fuel Economy ).

Otro francés inventó el tubo De Dion , a veces llamado "semiindependiente". Al igual que la suspensión trasera independiente, emplea dos juntas universales , o su equivalente, desde el centro del diferencial hasta cada rueda. Sin embargo, las ruedas no pueden subir y bajar completamente de forma independiente; están unidas por una horquilla que rodea el diferencial, por debajo y por detrás. Este método ha tenido poco uso en Estados Unidos . Su uso alrededor de 1900 probablemente se debió a la mala calidad de los neumáticos, que se desgastaban rápidamente. Al reducir considerablemente el peso no suspendido , como lo hacen las suspensiones traseras independientes, lograba que duraran más.

Los vehículos de tracción trasera actuales suelen utilizar una suspensión multibrazo totalmente independiente bastante compleja para fijar las ruedas traseras de forma segura, a la vez que proporcionan una calidad de marcha aceptable .

La rigidez del muelle (o constante elástica) es un componente que determina la altura del vehículo o su posición en el recorrido de la suspensión. Cuando un muelle se comprime o se estira, la fuerza que ejerce es proporcional a su variación de longitud. La rigidez o constante elástica de un muelle se define como la variación de la fuerza ejercida, dividida por la variación de su deformación . Los vehículos que transportan cargas pesadas suelen tener muelles más rígidos para compensar el peso adicional que, de otro modo, provocaría que el vehículo se comprimiera hasta el final de su recorrido. Los muelles más rígidos también se utilizan en aplicaciones de alto rendimiento, donde las condiciones de carga son más exigentes.

Los muelles demasiado duros o demasiado blandos hacen que la suspensión sea ineficaz, principalmente porque no aíslan adecuadamente el vehículo de la carretera. Los vehículos que suelen soportar cargas en la suspensión superiores a lo normal tienen muelles duros o rígidos, con una rigidez cercana al límite superior para el peso del vehículo. Esto permite que el vehículo funcione correctamente bajo una carga pesada, cuando el control se ve limitado por la inercia de la misma. Viajar en un camión vacío, diseñado para transportar cargas, puede resultar incómodo para los pasajeros debido a la alta rigidez de sus muelles en relación con el peso del vehículo. Un coche de carreras también podría describirse como un vehículo con muelles duros, y su conducción sería igualmente incómoda y con baches. Sin embargo, aunque ambos tengan muelles duros, la rigidez real de los muelles de un coche de carreras de 1000 kg y la de un camión de 5000 kg son muy diferentes. Un coche de lujo, un taxi o un autobús de pasajeros tendrían muelles blandos para la comodidad de sus pasajeros o conductor. Los vehículos con muelles desgastados o dañados tienen una menor altura libre al suelo, lo que reduce la compresión total disponible para la suspensión y aumenta la inclinación de la carrocería. En ocasiones, los vehículos de alto rendimiento pueden tener requisitos de rigidez de muelle distintos al peso y la carga del vehículo.    

La rigidez de la rueda es la rigidez efectiva del muelle medida en la rueda, a diferencia de medir simplemente la rigidez del muelle por sí sola.

La rigidez de la rueda suele ser igual o considerablemente menor que la rigidez del muelle. Generalmente, los muelles se montan en brazos de control, brazos oscilantes u otros elementos pivotantes de la suspensión. Consideremos el ejemplo anterior, donde la rigidez del muelle se calculó en 500  lb/pulgada (87,5 N/mm). Si se moviera la rueda 1 pulgada (2,5 cm) (sin mover el coche), es muy probable que el muelle se comprima menos. Si el muelle se moviera 0,75 pulgadas (19 mm) , la relación de palanca sería de 0,75:1. La rigidez de la rueda se calcula elevando al cuadrado la relación (0,5625) y multiplicándola por la rigidez del muelle, obteniendo así 281,25 lb/pulgada (49,25 N/mm). La relación se eleva al cuadrado porque tiene dos efectos sobre la rigidez de la rueda: afecta tanto a la fuerza como a la distancia recorrida.     

La rigidez de la rueda en una suspensión independiente es bastante sencilla. Sin embargo, se deben tener en cuenta consideraciones especiales en algunos diseños de suspensión no independiente. Tomemos como ejemplo el eje rígido. Vista desde el frente o la parte trasera, la rigidez de la rueda se puede medir mediante los métodos descritos anteriormente. Sin embargo, debido a que las ruedas no son independientes, al observarlas de lado durante la aceleración o el frenado, el punto de pivote se encuentra en el infinito (porque ambas ruedas se han movido) y el muelle está alineado directamente con la zona de contacto de la rueda. El resultado suele ser que la rigidez efectiva de la rueda al tomar una curva es diferente de la que se obtiene al acelerar y frenar. Esta variación en la rigidez de la rueda se puede minimizar colocando el muelle lo más cerca posible de la rueda.

Las tasas de rigidez de las ruedas se suelen sumar y comparar con la masa suspendida del vehículo para obtener la "velocidad de marcha" y la frecuencia natural de la suspensión correspondiente (también conocida como "elevación"). Esto puede resultar útil para establecer una métrica que determine la rigidez y el recorrido de la suspensión del vehículo.

La velocidad de balanceo es análoga a la velocidad de balanceo de un vehículo, pero para acciones que incluyen aceleraciones laterales, lo que provoca que la masa suspendida del vehículo se balancee. Se expresa como par por grado de balanceo de la masa suspendida del vehículo. Está influenciada por factores que incluyen, pero no se limitan a, la masa suspendida del vehículo, el ancho de vía, la altura del CG, las tasas de resorte y amortiguador, las alturas del centro de balanceo delantero y trasero, la rigidez de la barra estabilizadora y la presión/construcción de los neumáticos. La velocidad de balanceo de un vehículo puede, y generalmente, difiere entre el eje delantero y el trasero, lo que permite la capacidad de ajuste de un vehículo para el manejo transitorio y en estado estacionario. La velocidad de balanceo de un vehículo no cambia la cantidad total de transferencia de peso en el vehículo, pero cambia la velocidad y el porcentaje de peso transferido de un eje particular a otro eje a través del chasis del vehículo. Generalmente, cuanto mayor sea la velocidad de balanceo en un eje de un vehículo, más rápida y mayor será el porcentaje de transferencia de peso en ese eje .

Para 2021, algunos vehículos ofrecían control dinámico de balanceo con suspensión neumática de altura ajustable y amortiguadores adaptativos. ^{[ 10 ]}

El porcentaje de par de balanceo es un método simplificado para describir la distribución de la transferencia de carga lateral entre la parte delantera y trasera, y, por consiguiente, el equilibrio de la conducción. Representa la rigidez efectiva de cada eje del vehículo, en balanceo, como una proporción de la rigidez total de balanceo del vehículo. Generalmente se ajusta mediante barras estabilizadoras , pero también puede modificarse mediante el uso de diferentes muelles.

La transferencia de peso no suspendido se calcula en función del peso de los componentes del vehículo que no están soportados por los resortes. Esto incluye neumáticos, ruedas, frenos, ejes, la mitad del peso del brazo de control y otros componentes. Para los cálculos, se supone que estos componentes están conectados a un vehículo con peso no suspendido y se les aplican las mismas cargas dinámicas.

La transferencia de peso en las curvas en la parte delantera sería igual al peso total no suspendido delantero multiplicado por la fuerza G multiplicada por la altura del centro de gravedad no suspendido delantero, dividido por el ancho de vía delantero. Lo mismo se aplica a la parte trasera.

La transferencia de peso suspendido es el peso que se transfiere únicamente por el peso del vehículo que descansa sobre sus muelles, y no por el peso total del vehículo. Para calcularla, es necesario conocer el peso suspendido del vehículo (peso total menos el peso no suspendido), las alturas del centro de balanceo delantero y trasero, y la altura del centro de gravedad suspendido (que se utiliza para calcular la longitud del brazo de palanca de balanceo). El cálculo de la transferencia de peso suspendido delantero y trasero también requiere conocer el porcentaje de par de balanceo.

El eje de balanceo es la línea que une los centros de balanceo delantero y trasero alrededor de la cual gira el vehículo al tomar una curva. La distancia desde este eje hasta la altura del centro de gravedad suspendido es la longitud del brazo de momento de balanceo. La transferencia total de peso suspendido es igual a la fuerza G multiplicada por el peso suspendido y por la longitud del brazo de momento de balanceo, dividida por el ancho efectivo de vía. La transferencia de peso suspendido delantero se calcula multiplicando el porcentaje de par de balanceo por la transferencia total de peso suspendido. La transferencia trasera es la transferencia total menos la transferencia delantera.

Las fuerzas de elevación son la suma de las componentes de fuerza vertical que experimentan los elementos de suspensión. La fuerza resultante tiende a elevar la masa suspendida, si el centro de balanceo se encuentra sobre el suelo, o a comprimirla, si está bajo tierra. Generalmente, cuanto más alto sea el centro de balanceo , mayor será la fuerza de elevación.

El recorrido es la medida de la distancia desde el final del recorrido de la suspensión (como cuando el vehículo está sobre un gato y la rueda cuelga libremente) hasta el final del recorrido (como cuando la rueda ya no puede moverse hacia arriba). El tope o el levantamiento de una rueda pueden causar graves problemas de control o daños directos. El tope puede deberse a que la suspensión, los neumáticos, los guardabarros, etc., se quedan sin espacio para moverse, o a que la carrocería u otros componentes del coche golpean el suelo. Los problemas de control causados ​​por el levantamiento de una rueda son menos graves si la rueda se levanta cuando el muelle alcanza su posición sin carga que si el recorrido está limitado por el contacto con los elementos de la suspensión (véase Triumph TR3B ).

Many off-road vehicles, such as desert racers, use straps called "limiting straps" to limit the suspensions' downward travel to a point within safe limits for the linkages and shock absorbers. This is necessary, since these trucks are intended to travel over very rough terrain at high speeds, and even become airborne at times. Without something to limit the travel, the suspension bushings would take all the force, when suspension reaches "full droop", and it can even cause the coil springs to come out of their "buckets", if they are held in by compression forces only. A limiting strap is a simple strap, often from nylon of a predetermined length, that stops downward movement at a pre-set point before theoretical maximum travel is reached. The opposite of this is the "bump-stop", which protects the suspension and the vehicle (as well as the occupants) from the violent "bottoming" of the suspension, caused when an obstruction (or a hard landing) causes suspension to run out of upward travel without fully absorbing the energy of the stroke. Without bump-stops, a vehicle that "bottoms out", will experience a very hard shock when the suspension contacts the bottom of the frame or body, which is transferred to the occupants and every connector and weld on the vehicle. Factory vehicles often come with plain rubber "nubs" to absorb the worst of the forces, and insulate the shock. A desert race vehicle, which must routinely absorb far higher impact forces, might be provided with pneumatic or hydro-pneumatic bump-stops. These are essentially miniature shock absorbers (dampers) that are fixed to the vehicle in a location, such, that the suspension will contact the end of the piston when it nears the upward travel limit. These absorb the impact far more effectively than a solid rubber bump-stop will, essential, because a rubber bump-stop is considered a "last-ditch" emergency insulator for the occasional accidental bottoming of the suspension; it is entirely insufficient to absorb repeated and heavy bottoming, such as a high-speed off-road vehicle encounters.

Damping is the control of motion or oscillation, as seen with the use of hydraulic gates and valves in a vehicle's shock absorber. This may also vary, intentionally or unintentionally. Like spring rate, the optimal damping for comfort may be less, than for control.

Damping controls the travel speed and resistance of the vehicle's suspension. An undamped car will oscillate up and down. With proper damping levels, the car will settle back to a normal state in a minimal amount of time. Most damping in modern vehicles can be controlled by increasing or decreasing the resistance to fluid flow in the shock absorber.

Ver dependiente e independiente más abajo. Cambios de caída debido al recorrido de la rueda, balanceo de la carrocería y deflexión o flexibilidad del sistema de suspensión. En general, un neumático se desgasta y frena mejor con una caída de -1 a -2° con respecto a la vertical. Dependiendo del neumático y la superficie de la carretera, puede adherirse mejor a la carretera en un ángulo ligeramente diferente. Pequeños cambios en la caída, delantera y trasera, pueden usarse para ajustar el manejo. Algunos autos de carreras se ajustan con una caída de -2 a -7°, dependiendo del tipo de manejo deseado y la construcción del neumático. A menudo, demasiada caída resultará en una disminución del rendimiento de frenado debido a una reducción del tamaño de la superficie de contacto por una variación excesiva de la caída en la geometría de la suspensión. La cantidad de cambio de caída en compresión está determinada por la longitud instantánea del brazo oscilante de vista frontal (FVSA) de la geometría de la suspensión, o en otras palabras, la tendencia del neumático a inclinarse hacia adentro cuando se comprime en compresión.

La altura del centro de balanceo es producto de las alturas del centro instantáneo de la suspensión y constituye una métrica útil para analizar los efectos de la transferencia de peso, el balanceo de la carrocería y la distribución de la rigidez de balanceo entre la parte delantera y trasera. Tradicionalmente, la distribución de la rigidez de balanceo se ajusta modificando las barras estabilizadoras en lugar de la altura del centro de balanceo (ya que ambas tienden a tener un efecto similar sobre la masa suspendida), pero la altura del centro de balanceo es significativa al considerar la magnitud de las fuerzas de elevación experimentadas.

Debido a que el movimiento de la rueda y el neumático está restringido por los brazos de la suspensión del vehículo, el movimiento del conjunto rueda-neumático visto de frente describe un arco imaginario en el espacio, con un centro instantáneo de rotación en cualquier punto de su trayectoria. El centro instantáneo de cualquier conjunto rueda-neumático se puede determinar siguiendo líneas imaginarias trazadas a través de los brazos de la suspensión hasta su punto de intersección.

Un componente del vector de fuerza del neumático apunta desde la zona de contacto del neumático hasta el centro instantáneo. Cuanto mayor sea este componente, menor será el movimiento de la suspensión. Teóricamente, si la resultante de la carga vertical sobre el neumático y la fuerza lateral generada por este apunta directamente al centro instantáneo, los brazos de la suspensión no se moverán. En este caso, toda la transferencia de peso en ese extremo del vehículo será de naturaleza geométrica. Esta información es fundamental para determinar el centro de balanceo basado en fuerzas.

En este sentido, los centros instantáneos son más importantes para el manejo del vehículo que el centro de balanceo cinemático por sí solo, ya que la relación entre la transferencia de peso geométrica y elástica está determinada por las fuerzas en los neumáticos y sus direcciones en relación con la posición de sus respectivos centros instantáneos.

El antidive y el antisquat son porcentajes que indican el grado de hundimiento de la parte delantera al frenar y de hundimiento de la trasera al acelerar. Se pueden considerar como los equivalentes del frenado y la aceleración, al igual que las fuerzas de elevación lo son para el giro. La principal razón de esta diferencia radica en los distintos objetivos de diseño de la suspensión delantera y trasera, mientras que la suspensión suele ser simétrica entre ambos lados del vehículo.

El método para determinar el efecto antidive o antisquat depende de si los brazos de la suspensión reaccionan al par de frenado y aceleración. Por ejemplo, con frenos internos y ruedas traseras accionadas por semiejes, los brazos de la suspensión no reaccionan, pero con frenos externos y una transmisión de eje oscilante, sí lo hacen.

Para determinar el porcentaje de antidive de frenado de la suspensión delantera para frenos externos, primero es necesario determinar la tangente del ángulo entre una línea trazada, en vista lateral, a través de la huella del neumático delantero y el centro instantáneo de la suspensión delantera, y la horizontal. Además, se debe conocer el porcentaje de esfuerzo de frenado en las ruedas delanteras. Luego, se multiplica la tangente por el porcentaje de esfuerzo de frenado de las ruedas delanteras y se divide por la relación entre la altura del centro de gravedad y la distancia entre ejes. Un valor del 50% significaría que la mitad del peso transferido a las ruedas delanteras durante el frenado se transmite a través del sistema de bieletas de la suspensión delantera, y la otra mitad a través de los resortes de la suspensión delantera.

Para los frenos interiores, se sigue el mismo procedimiento, pero utilizando el centro de la rueda en lugar del centro del parche de contacto.

El anti-hundimiento de la aceleración hacia adelante se calcula de manera similar y con la misma relación entre el porcentaje y la transferencia de peso. Los valores de anti-hundimiento del 100 % o más se utilizan comúnmente en las carreras de aceleración, pero los valores del 50 % o menos son más comunes en automóviles que deben someterse a frenadas bruscas. Los valores más altos de anti-hundimiento suelen causar rebote de las ruedas durante el frenado. El valor del 100 % significa que toda la transferencia de peso se realiza a través del sistema de suspensión. Sin embargo, esto no significa que la suspensión sea incapaz de soportar cargas adicionales (aerodinámicas, en curvas, etc.) durante un episodio de frenado o aceleración hacia adelante. En otras palabras, no se implica ningún "bloqueo" de la suspensión. ^{[ 11 ]}

En algunos automóviles modernos, la flexibilidad reside principalmente en los bujes de goma , que se deterioran con el tiempo. Para suspensiones de alta tensión, como las de los vehículos todoterreno, se utilizan bujes de poliuretano, que ofrecen mayor durabilidad bajo mayores esfuerzos. Sin embargo, debido a consideraciones de peso y costo, las estructuras no se fabrican más rígidas de lo necesario. Algunos vehículos presentan vibraciones perjudiciales que implican la flexión de las partes estructurales, como al acelerar mientras se gira bruscamente. La flexibilidad de las estructuras, como los chasis y los brazos de suspensión, también puede contribuir a la amortiguación, especialmente a la reducción de vibraciones de alta frecuencia. La flexibilidad de las llantas de radios contribuyó a su popularidad en épocas en que los automóviles tenían suspensiones menos avanzadas.

Los automóviles pueden ir muy cargados con equipaje, pasajeros y remolques. Esta carga provoca que la parte trasera del vehículo se hunda. Mantener un nivel de chasis estable es esencial para lograr el manejo adecuado para el que fue diseñado el vehículo. Además, si la parte delantera del coche está demasiado elevada al conducir de noche, los conductores que vienen de frente pueden quedar deslumbrados por el haz de luz de los faros. La suspensión autonivelante contrarresta esto inflando cilindros en la suspensión para elevar el chasis. ^{[ 12 ]}

En la mayoría de los casos, el peso de los componentes de la suspensión no es importante. Sin embargo, a altas frecuencias causadas por la irregularidad de la superficie de la carretera, las piezas aisladas por bujes de goma actúan como un filtro multietapa que suprime el ruido y la vibración mejor que con solo neumáticos y muelles. (Los muelles funcionan principalmente en dirección vertical).

Suelen ser pequeños, salvo que la suspensión está relacionada con si los frenos y el/los diferencial/ es tienen muelles.

Esta es la principal ventaja funcional de las llantas de aluminio sobre las de acero. Las piezas de suspensión de aluminio se han utilizado en coches de producción, y las de fibra de carbono son comunes en los coches de carreras.

Los diseños difieren en cuanto al espacio que ocupan y su ubicación. Generalmente se acepta que la suspensión MacPherson es la opción más compacta para vehículos con motor delantero, donde se requiere espacio entre las ruedas para alojar el motor.

Es probable que los frenos internos (que reducen el peso no suspendido ) se eviten más por cuestiones de espacio que por motivos de coste.

El sistema de fijación de la suspensión debe coincidir con el diseño del bastidor en cuanto a geometría, resistencia y rigidez.

Algunos vehículos modernos cuentan con suspensión regulable en altura para mejorar la aerodinámica y la eficiencia del combustible. Los monoplazas modernos, con ruedas y suspensión expuestas, suelen utilizar tubos aerodinámicos en lugar de tubos redondos simples para los brazos de suspensión, con el fin de reducir la resistencia aerodinámica . También es común el uso de suspensiones de tipo balancín, varilla de empuje o varilla de tracción, que, entre otras cosas, sitúan el conjunto muelle/amortiguador en el interior, fuera del flujo de aire, para reducir aún más la resistencia aerodinámica.

Los métodos de producción mejoran, pero el costo siempre es un factor importante. El uso continuado del eje trasero rígido, con diferencial no suspendido, especialmente en vehículos pesados, parece ser el ejemplo más evidente.

Los muelles y amortiguadores tradicionales se denominan suspensiones pasivas; la mayoría de los vehículos están suspendidos de esta manera.

Ballestas

La mayoría de los vehículos terrestres están suspendidos mediante muelles de acero de este tipo:

• Muelle de ballesta – También conocido como muelle Hotchkiss, de carro o semielíptico ^{[ 6 ]}
• Suspensión de barra de torsión ^{[ 13 ]}
• Muelle helicoidal ^{[ 14 ]}

Los fabricantes de automóviles son conscientes de las limitaciones inherentes de los resortes de acero —que estos resortes tienden a producir oscilaciones indeseables— y han desarrollado otros tipos de materiales y mecanismos de suspensión en un intento por mejorar el rendimiento:

• Bujes de goma ^{[ 15 ]}
• Gas a presión - resortes neumáticos ^{[ 16 ]}
• Gas y fluido hidráulico a presión: suspensión hidroneumática ^{[ 17 ]} y amortiguadores oleoneumáticos

Si la suspensión se controla externamente, entonces se trata de una suspensión semiactiva o activa; la suspensión reacciona a las señales de un controlador electrónico.

Por ejemplo, un Citroën hidroneumático "sabe" a qué altura del suelo debe estar el coche y se ajusta constantemente para alcanzar ese nivel, independientemente de la carga. Sin embargo, este tipo de suspensión no compensa instantáneamente el balanceo de la carrocería en las curvas. El sistema de Citroën incrementa el precio del coche en aproximadamente un 1 % en comparación con los muelles de acero convencionales.

Las suspensiones semiactivas incluyen dispositivos como resortes neumáticos y amortiguadores conmutables, diversas soluciones de autonivelación , así como sistemas como las suspensiones hidroneumáticas , hidrolásticas y de gas hidráulico .

Toyota introdujo amortiguadores conmutables en el Soarer de 1983. ^{[ 18 ]} Actualmente, Delphi vende amortiguadores rellenos con un fluido magnetorreológico , cuya viscosidad se puede cambiar electromagnéticamente , lo que proporciona un control variable sin necesidad de cambiar válvulas, lo que resulta más rápido y, por lo tanto, más eficaz.

Los sistemas de suspensión totalmente activos utilizan la monitorización electrónica de las condiciones del vehículo, junto con los medios para cambiar el comportamiento de la suspensión en tiempo real y así controlar directamente el movimiento del coche.

Lotus Cars desarrolló varios prototipos a partir de 1982 y los introdujo en la Fórmula Uno , donde tuvieron bastante éxito, pero ahora están prohibidos.

Nissan introdujo la suspensión activa de bajo ancho de banda alrededor de 1990 como una opción que agregó un 20% adicional al precio de los modelos de lujo. Citroën también ha desarrollado varios modelos de suspensión activa (ver hydractive ). Un sistema totalmente activo de Bose Corporation , anunciado en 2009, utiliza motores eléctricos lineales ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]} en lugar de los actuadores hidráulicos o neumáticos que generalmente se han utilizado hasta hace poco. Mercedes introdujo un sistema de suspensión activa llamado Active Body Control en su Mercedes-Benz CL-Class de gama alta en 1999.

También se han desarrollado varias suspensiones electromagnéticas para vehículos. Algunos ejemplos son la suspensión electromagnética de Bose y la desarrollada por el profesor Laurentiu Encica. Asimismo, la nueva rueda Michelin con suspensión integrada que funciona con un motor eléctrico es similar. ^{[ 24 ]}

Mediante un sistema de control, diversas suspensiones semiactivas/activas logran un diseño optimizado que compensa los diferentes modos de vibración del vehículo: rebote, balanceo, cabeceo y torsión. Sin embargo, la aplicación de estas suspensiones avanzadas se ve limitada por el costo, el tamaño, el peso, la fiabilidad y otros factores.

A diferencia de las suspensiones semiactivas/activas, la suspensión interconectada permite desacoplar fácilmente los distintos modos de vibración del vehículo de forma pasiva. Las interconexiones pueden realizarse mediante diversos métodos, como mecánicos, hidráulicos y neumáticos. Las barras estabilizadoras son un ejemplo típico de interconexión mecánica, mientras que se ha afirmado que las interconexiones fluidas ofrecen mayor potencial y flexibilidad para mejorar tanto la rigidez como la amortiguación.

Considerando el considerable potencial comercial de la tecnología hidroneumática ( Corolla, 1996), las suspensiones hidroneumáticas interconectadas también se han explorado en algunos estudios recientes, y se han demostrado sus beneficios potenciales para mejorar la conducción y el manejo del vehículo. El sistema de control también puede utilizarse para mejorar aún más el rendimiento de las suspensiones interconectadas. Además de la investigación académica, una empresa australiana Kinetic ^{[ 25 ]} tuvo cierto éxito con varios sistemas pasivos o semiactivos ( WRC : tres campeonatos; el Rally Dakar : dos campeonatos; Lexus GX470 2004 como el 4×4 del año con KDSS; el premio PACE 2005). Estos sistemas de Kinetic generalmente desacoplan al menos dos modos del vehículo (balanceo, torsión (articulación), cabeceo y/o elevación (rebote)) para controlar simultáneamente la rigidez y la amortiguación de cada modo mediante el uso de amortiguadores interconectados y otros métodos. En 1999, Kinetic fue adquirida por Tenneco. Posteriormente, la empresa catalana Creuat desarrolló un sistema más sencillo basado en cilindros de simple efecto. Tras participar en algunos proyectos de competición, Creuat se dedica a proporcionar sistemas de adaptación para ciertos modelos de vehículos.

Históricamente, el primer automóvil de producción en masa con suspensión mecánica interconectada de adelante hacia atrás fue el Citroën 2CV de 1948. La suspensión del 2CV era extremadamente blanda: el brazo longitudinal suavizaba el cabeceo en lugar de aumentar la rigidez del balanceo. Para compensar esto, recurría a geometrías extremas anti-hundimiento y anti-hundimiento. Esto resultaba en una rigidez de cruce de ejes más suave que la que habrían mostrado las barras estabilizadoras. El sistema de suspensión de brazo oscilante delantero/ trasero, junto con los frenos delanteros internos, tenía un peso no suspendido mucho menor que los diseños de ballestas o muelles helicoidales existentes. La interconexión transmitía parte de la fuerza que desviaba una rueda delantera hacia arriba al pasar por un bache, empujando la rueda trasera hacia abajo en el mismo lado. Cuando la rueda trasera encontraba ese bache un instante después, hacía lo mismo a la inversa, manteniendo el automóvil nivelado de adelante hacia atrás. El diseño del 2CV se concibió para circular a gran velocidad sobre un campo arado, por ejemplo, para transportar huevos de gallina. Originalmente incorporaba amortiguadores de fricción y amortiguadores de masa sintonizada . Los modelos posteriores contaban con amortiguadores de masa sintonizada en la parte delantera y amortiguadores telescópicos tanto delante como detrás.

British Motor Corporation también fue una de las primeras en adoptar la suspensión interconectada. Un sistema denominado Hydrolastic se introdujo en 1962 en el Morris 1100 y pasó a utilizarse en varios modelos de BMC. Hydrolastic fue desarrollado por el ingeniero de suspensiones Alex Moulton y utilizaba conos de goma como medio de amortiguación (estos se utilizaron por primera vez en el Mini de 1959 ) con unidades de suspensión en cada lado conectadas entre sí por una tubería llena de fluido. El fluido transmitía la fuerza de los baches de la carretera de una rueda a la otra (siguiendo el mismo principio que el sistema mecánico del Citroën 2CV descrito anteriormente) y, dado que cada unidad de suspensión contenía válvulas para restringir el flujo de fluido, también servía como amortiguador. ^{[ 26 ]} Moulton pasó a desarrollar un sustituto para Hydrolastic para el sucesor de BMC, British Leyland . Este sistema, fabricado bajo licencia por Dunlop en Coventry, llamado Hydragas , funcionaba con el mismo principio, pero en lugar de unidades de resorte de goma, utilizaba esferas metálicas divididas internamente por un diafragma de goma. La mitad superior contenía gas a presión y la mitad inferior el mismo fluido que se utilizaba en el sistema Hydrolastic . El fluido transmitía las fuerzas de suspensión entre las unidades de cada lado, mientras que el gas actuaba como medio de resorte a través del diafragma. Este es el mismo principio que el sistema hidroneumático de Citroën y proporciona una calidad de conducción similar , pero es autónomo y no requiere una bomba accionada por el motor para proporcionar presión hidráulica. La desventaja es que Hydragas , a diferencia del sistema de Citroën, no es regulable en altura ni autonivelante. Hydragas se introdujo en 1973 en el Austin Allegro y se utilizó en varios modelos; El último coche en utilizarlo fue el MG F en 2002. El sistema se modificó, optando por muelles helicoidales en lugar de amortiguadores por motivos de coste, hacia el final de la vida útil del vehículo. Cuando se desmanteló en 2006, la línea de fabricación de Hydragas tenía más de 40 años.

Algunos de los últimos modelos Packard de la posguerra también incorporaban suspensión interconectada.

Los sistemas dependientes pueden diferenciarse por el sistema de enlaces que los ubica, tanto longitudinal como transversalmente. A menudo, ambas funciones se combinan en un mismo conjunto de enlaces.

Algunos ejemplos de vínculos de ubicación son:

• Enlace de Satchell
• barra Panhard
• Enlace de Watt
• Enlace WOB
• Enlace de Mumford
• Muelles de ballesta utilizados para la fijación (transversal o longitudinal)
  • Los resortes totalmente elípticos generalmente necesitan enlaces de ubicación suplementarios y ya no se utilizan comúnmente.
  • Los resortes semielípticos longitudinales eran comunes y aún se utilizan en camiones pesados ​​y aeronaves. Tienen la ventaja de que la rigidez del resorte se puede ajustar fácilmente de forma progresiva (no lineal).
  • Ford Motor Company utilizó , antes y poco después de la Segunda Guerra Mundial , incluso en modelos de alta gama, una ballesta transversal simple para ambas ruedas delanteras y/o ambas traseras, que soportaba ejes rígidos. Esta configuración ofrecía las ventajas de la simplicidad y un bajo peso no suspendido (en comparación con otros diseños de eje rígido).

En un vehículo con motor delantero y tracción trasera, la suspensión trasera dependiente puede ser de eje rígido o de eje De Dion , según si el diferencial está montado en el eje o no. El eje rígido es más sencillo, pero el peso no suspendido contribuye al rebote de las ruedas.

Debido a que garantiza una inclinación constante, la suspensión dependiente (y semiindependiente) es más común en vehículos que necesitan transportar cargas pesadas en proporción a su peso, que tienen muelles relativamente blandos y que no utilizan suspensiones activas (por razones de costo y simplicidad). El uso de la suspensión delantera dependiente se ha limitado a vehículos comerciales más pesados.

La variedad de sistemas independientes es mayor e incluye:

• Eje oscilante
• Pilar deslizante
• Amortiguador MacPherson / Amortiguador Chapman
• Brazo en A superior e inferior ( doble horquilla )
• Suspensión multibrazo
• Suspensión de brazo semitrasero
• Brazo oscilante
• Brazo de arrastre
• Las ballestas transversales, cuando se utilizan como elemento de suspensión, o las elípticas de cuatro cuartos en un extremo del coche, tienen una geometría similar a la de los brazos oscilantes, pero son más flexibles. Algunos ejemplos son la parte delantera del Fiat 500 original , el Panhard Dyna Z , los primeros modelos del Peugeot 403 y la parte trasera del AC Ace y el AC Aceca .

Debido a que las ruedas no están obligadas a permanecer perpendiculares a una superficie plana durante los giros, el frenado y las variaciones de carga, el control de la inclinación de las ruedas es fundamental. La suspensión de brazo oscilante era común en coches pequeños con suspensión blanda y que podían transportar grandes cargas, ya que la inclinación es independiente de la carga. Algunas suspensiones activas y semiactivas mantienen la altura de la carrocería y, por lo tanto, la inclinación, independientemente de la carga. En los coches deportivos , el cambio óptimo de inclinación al girar es aún más importante.

Las suspensiones de doble brazo oscilante y multibrazo permiten al ingeniero un mayor control sobre la geometría, para lograr el mejor compromiso, que las suspensiones de eje oscilante, puntal MacPherson o brazo oscilante; sin embargo, el costo y los requisitos de espacio pueden ser mayores.

El brazo semitrasero se sitúa en un punto intermedio, siendo un compromiso variable entre las geometrías del brazo oscilante y el eje oscilante.

En las suspensiones semiindependientes, las ruedas de un eje pueden moverse entre sí, al igual que en una suspensión independiente, pero la posición de una rueda influye en la posición y la orientación de la otra. Este efecto se logra mediante la torsión o la flexión de los componentes de la suspensión bajo carga.

El tipo más común de suspensión semiindependiente es la de viga torsional .

El sistema de suspensión basculante ^{[ 28 ]} (también conocido como sistema de suspensión inclinada ) no es un tipo o geometría de construcción diferente; además, es una adición tecnológica al sistema de suspensión convencional.

Este tipo de sistema de suspensión se compone principalmente de suspensión independiente (por ejemplo, amortiguador MacPherson , brazo oscilante doble ). Además, estos sistemas incorporan un mecanismo de inclinación que conecta la suspensión con la carrocería (chasis) del vehículo.

El sistema de suspensión basculante mejora la estabilidad, la tracción, el radio de giro del vehículo y la comodidad de los ocupantes. Al girar a la derecha o a la izquierda, los pasajeros u objetos en el vehículo experimentan la fuerza G o fuerza inercial hacia afuera del radio de curvatura, razón por la cual los motociclistas se inclinan hacia el centro de curvatura al girar, lo que mejora la estabilidad y disminuye las posibilidades de vuelco. Sin embargo, los vehículos con más de dos ruedas, equipados con un sistema de suspensión convencional, no podían hacer lo mismo hasta ahora, por lo que los pasajeros experimentan la fuerza inercial hacia afuera, lo que reduce la estabilidad y la comodidad de los ocupantes. Este tipo de sistema de suspensión basculante es la solución a este problema. Si la carretera no tiene peralte o inclinación pronunciada, no afectará la comodidad con este sistema de suspensión; el vehículo se inclina y disminuye la altura del centro de gravedad, aumentando así la estabilidad. Esta suspensión también se utiliza en vehículos de ocio.

Algunos trenes también utilizan suspensión basculante ( tren basculante ), lo que aumenta la velocidad en las curvas.

El sistema de suspensión tipo balancín consta de brazos de arrastre equipados con ruedas tensoras. Gracias a la articulación entre la sección motriz y los brazos de arrastre, esta suspensión es muy flexible. Este tipo de suspensión es ideal para terrenos extremadamente accidentados.

Este tipo de suspensión se utilizó en el rover Curiosity .

Algunos vehículos, como los trenes, circulan sobre largas vías fijas al suelo; otros, como los tractores, los vehículos para la nieve y los tanques, se desplazan sobre orugas continuas integradas en el vehículo. Si bien ambos tipos contribuyen a suavizar el terreno y reducir la presión sobre él, se aplican muchas de las mismas consideraciones.

Los vehículos blindados de combate (VAC), incluidos los tanques , tienen requisitos de suspensión especializados. Pueden pesar más de setenta toneladas y deben moverse lo más rápido posible sobre terrenos muy irregulares o blandos. Sus componentes de suspensión deben estar protegidos contra minas terrestres y armas antitanque . Los VAC de orugas pueden tener hasta nueve ruedas de carretera a cada lado. Muchos VAC de ruedas tienen seis u ocho ruedas grandes. Algunos cuentan con un sistema central de inflado de neumáticos para reducir la carga sobre el suelo en superficies irregulares. Algunas ruedas son demasiado grandes y tienen un espacio demasiado reducido para girar, por lo que se utiliza la dirección por deslizamiento en algunos vehículos de ruedas, así como en los de orugas.

Los primeros tanques de la Primera Guerra Mundial tenían suspensión fija sin ningún tipo de movimiento. Esta situación insatisfactoria mejoró con suspensiones de ballestas o muelles helicoidales , adoptadas de maquinaria agrícola, automotriz o ferroviaria, pero incluso estas tenían un recorrido muy limitado.

Debido a la mayor potencia de los motores, se incrementó la velocidad y fue necesario mejorar la comodidad de la marcha. En la década de 1930, se desarrolló la suspensión Christie , que permitía el uso de muelles helicoidales dentro del casco blindado del vehículo, modificando la dirección de la fuerza que deformaba el muelle mediante una palanca acodada . La suspensión del T-34 derivaba directamente de los diseños de Christie.

La suspensión Horstmann era una variante que utilizaba una combinación de palanca acodada y muelles helicoidales externos, en uso desde la década de 1930 hasta la de 1990. Las suspensiones de bogie , pero no obstante independientes, de los vehículos M3 Lee /Grant y M4 Sherman eran similares al tipo Horstmann, con la suspensión aislada dentro del óvalo de la vía.

Para la Segunda Guerra Mundial , el otro tipo común era la suspensión de barra de torsión , que obtenía la fuerza del resorte mediante la torsión de barras dentro del casco. Si bien a veces tenía menos recorrido que el tipo Christie, era significativamente más compacta, lo que permitía más espacio dentro del casco y, por consiguiente, la posibilidad de instalar anillos de torreta más grandes y, por lo tanto, armamento principal más pesado. La suspensión de barra de torsión, a veces con amortiguadores, ha sido la suspensión dominante en vehículos blindados pesados ​​desde la Segunda Guerra Mundial. Las barras de torsión pueden ocupar espacio debajo o cerca del piso, lo que puede interferir con la reducción de la altura del tanque para minimizar la exposición.

Al igual que en los automóviles, el recorrido de la suspensión y la rigidez de los muelles influyen en la suavidad de la marcha y en la velocidad con la que se puede sortear terrenos irregulares. Es importante destacar que una marcha suave, que suele asociarse con la comodidad, aumenta la precisión al disparar en movimiento. Además, reduce las vibraciones en la óptica y otros equipos. El peso no suspendido y el peso de los eslabones de la oruga pueden limitar la velocidad en carretera y afectar la vida útil de la oruga y sus demás componentes.

La mayoría de los semiorugas alemanes de la Segunda Guerra Mundial y sus tanques introducidos durante la guerra, como el tanque Panther , tenían ruedas de rodadura superpuestas y, a veces, intercaladas para distribuir la carga de manera más uniforme sobre la oruga del tanque y, por lo tanto, sobre el terreno. Esto aparentemente contribuyó significativamente a la velocidad, el alcance y la vida útil de la oruga, además de proporcionar una banda continua de protección. No se ha vuelto a utilizar desde el final de la guerra, probablemente debido a los requisitos de mantenimiento de las piezas mecánicas más complejas que operaban en barro, arena, rocas, nieve y hielo; así como debido al costo. Las rocas y el barro congelado a menudo se atascaban entre las ruedas superpuestas, lo que podía impedir que giraran o dañar las ruedas de rodadura. Si una de las ruedas de rodadura interiores se dañaba, era necesario retirar las demás para acceder a la dañada, lo que hacía que el proceso fuera más complicado y prolongado. ^{[ 29 ]}